اخبار صنعت: روندهای فناوری بسته‌بندی پیشرفته

بسته‌بندی نیمه‌هادی از طرح‌های سنتی PCB تک‌بعدی به پیوند هیبریدی سه‌بعدی پیشرفته در سطح ویفر تکامل یافته است. این پیشرفت امکان ایجاد فاصله اتصال در محدوده میکرون تک رقمی، با پهنای باند تا 1000 گیگابایت بر ثانیه، در عین حفظ راندمان بالای انرژی را فراهم می‌کند. در هسته فناوری‌های پیشرفته بسته‌بندی نیمه‌هادی، بسته‌بندی 2.5 بعدی (که در آن اجزا در کنار هم روی یک لایه واسطه قرار می‌گیرند) و بسته‌بندی سه‌بعدی (که شامل چیدن عمودی تراشه‌های فعال است) قرار دارند. این فناوری‌ها برای آینده سیستم‌های HPC بسیار مهم هستند.

فناوری بسته‌بندی ۲.۵ بعدی شامل مواد لایه واسطه مختلفی است که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. لایه‌های واسطه سیلیکون (Si)، از جمله ویفرهای سیلیکونی کاملاً غیرفعال و پل‌های سیلیکونی موضعی، به دلیل ارائه بهترین قابلیت‌های سیم‌کشی شناخته شده‌اند و آنها را برای محاسبات با کارایی بالا ایده‌آل می‌کنند. با این حال، آنها از نظر مواد و ساخت پرهزینه هستند و با محدودیت‌هایی در مساحت بسته‌بندی مواجه هستند. برای کاهش این مشکلات، استفاده از پل‌های سیلیکونی موضعی در حال افزایش است و به طور استراتژیک از سیلیکون در جایی که عملکرد دقیق حیاتی است، استفاده می‌کنند و در عین حال محدودیت‌های مساحت را نیز در نظر می‌گیرند.

لایه‌های واسطه آلی، با استفاده از پلاستیک‌های قالب‌گیری شده با فن اوت، جایگزین مقرون‌به‌صرفه‌تری برای سیلیکون هستند. آن‌ها ثابت دی‌الکتریک پایین‌تری دارند که باعث کاهش تأخیر RC در بسته‌بندی می‌شود. با وجود این مزایا، لایه‌های واسطه آلی برای دستیابی به همان سطح از کاهش ویژگی‌های اتصال داخلی مانند بسته‌بندی مبتنی بر سیلیکون، با مشکل مواجه هستند و همین امر، استفاده از آن‌ها را در کاربردهای محاسباتی با کارایی بالا محدود می‌کند.

لایه‌های واسطه شیشه‌ای، به ویژه پس از عرضه اخیر بسته‌بندی آزمایشی خودرو مبتنی بر شیشه توسط اینتل، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. شیشه مزایای متعددی از جمله ضریب انبساط حرارتی قابل تنظیم (CTE)، پایداری ابعادی بالا، سطوح صاف و مسطح و قابلیت پشتیبانی از تولید پنل را ارائه می‌دهد که آن را به کاندیدای امیدوارکننده‌ای برای لایه‌های واسطه با قابلیت‌های سیم‌کشی قابل مقایسه با سیلیکون تبدیل می‌کند. با این حال، گذشته از چالش‌های فنی، عیب اصلی لایه‌های واسطه شیشه‌ای، اکوسیستم نابالغ و فقدان فعلی ظرفیت تولید در مقیاس بزرگ است. با بالغ شدن اکوسیستم و بهبود قابلیت‌های تولید، فناوری‌های مبتنی بر شیشه در بسته‌بندی نیمه‌هادی ممکن است شاهد رشد و پذیرش بیشتری باشند.

از نظر فناوری بسته‌بندی سه‌بعدی، پیوند هیبریدی Cu-Cu بدون برآمدگی در حال تبدیل شدن به یک فناوری نوآورانه پیشرو است. این تکنیک پیشرفته با ترکیب مواد دی‌الکتریک (مانند SiO2) با فلزات جاسازی‌شده (Cu)، به اتصالات دائمی دست می‌یابد. پیوند هیبریدی Cu-Cu می‌تواند به فواصل کمتر از 10 میکرون، معمولاً در محدوده میکرون تک رقمی، دست یابد که نشان‌دهنده پیشرفت قابل توجهی نسبت به فناوری سنتی میکرو-برآمدگی است که فواصل برآمدگی آن حدود 40 تا 50 میکرون است. مزایای پیوند هیبریدی شامل افزایش ورودی/خروجی، پهنای باند افزایش‌یافته، بهبود چیدمان عمودی سه‌بعدی، راندمان بهتر توان و کاهش اثرات انگلی و مقاومت حرارتی به دلیل عدم وجود پرکننده کف است. با این حال، ساخت این فناوری پیچیده است و هزینه‌های بالاتری دارد.

فناوری‌های بسته‌بندی ۲.۵ بعدی و سه‌بعدی شامل تکنیک‌های مختلف بسته‌بندی هستند. در بسته‌بندی ۲.۵ بعدی، بسته به انتخاب مواد لایه میانی، می‌توان آن را به لایه‌های میانی مبتنی بر سیلیکون، مبتنی بر آلی و مبتنی بر شیشه طبقه‌بندی کرد، همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است. در بسته‌بندی سه‌بعدی، توسعه فناوری میکرو-برآمدگی با هدف کاهش ابعاد فاصله‌گذاری انجام می‌شود، اما امروزه با اتخاذ فناوری پیوند هیبریدی (یک روش اتصال مستقیم Cu-Cu)، می‌توان به ابعاد فاصله‌گذاری تک رقمی دست یافت که نشان‌دهنده پیشرفت قابل توجهی در این زمینه است.

**روندهای کلیدی فناوری که باید به آنها توجه کرد:**

۱. **ناحیه‌های لایه واسطه بزرگتر:** IDTechEx پیش از این پیش‌بینی کرده بود که به دلیل دشواری عبور لایه‌های واسطه سیلیکونی از حد مجاز اندازه رتیکل ۳x، راهکارهای پل سیلیکونی ۲.۵D به زودی جایگزین لایه‌های واسطه سیلیکونی به عنوان انتخاب اصلی برای بسته‌بندی تراشه‌های HPC خواهند شد. TSMC تأمین‌کننده اصلی لایه‌های واسطه سیلیکونی ۲.۵D برای NVIDIA و سایر توسعه‌دهندگان پیشرو HPC مانند گوگل و آمازون است و این شرکت اخیراً تولید انبوه نسل اول CoWoS_L خود را با اندازه رتیکل ۳.۵x اعلام کرده است. IDTechEx انتظار دارد این روند ادامه یابد و پیشرفت‌های بیشتری در گزارش خود که بازیگران اصلی را پوشش می‌دهد، مورد بحث قرار گیرد.

۲. **بسته‌بندی در سطح پنل:** بسته‌بندی در سطح پنل، همانطور که در نمایشگاه بین‌المللی نیمه‌هادی تایوان ۲۰۲۴ برجسته شد، به یک تمرکز قابل توجه تبدیل شده است. این روش بسته‌بندی امکان استفاده از لایه‌های میانی بزرگتر را فراهم می‌کند و با تولید همزمان بسته‌های بیشتر، به کاهش هزینه‌ها کمک می‌کند. علیرغم پتانسیل آن، چالش‌هایی مانند مدیریت تاب برداشتن هنوز باید مورد توجه قرار گیرد. اهمیت روزافزون آن نشان دهنده تقاضای رو به رشد برای لایه‌های میانی بزرگتر و مقرون به صرفه‌تر است.

۳. **لایه‌های واسطه شیشه‌ای:** شیشه به عنوان یک ماده کاندید قوی برای دستیابی به سیم‌کشی ظریف، قابل مقایسه با سیلیکون، با مزایای اضافی مانند CTE قابل تنظیم و قابلیت اطمینان بالاتر، در حال ظهور است. لایه‌های واسطه شیشه‌ای همچنین با بسته‌بندی در سطح پنل سازگار هستند و پتانسیل سیم‌کشی با چگالی بالا را با هزینه‌های قابل مدیریت‌تر ارائه می‌دهند و آن را به یک راه حل امیدوارکننده برای فناوری‌های بسته‌بندی آینده تبدیل می‌کنند.

۴. **پیوند هیبریدی HBM:** پیوند هیبریدی سه بعدی مس-مس (Cu-Cu) یک فناوری کلیدی برای دستیابی به اتصالات عمودی با گام بسیار ریز بین تراشه‌ها است. این فناوری در محصولات سرور رده بالای مختلفی از جمله AMD EPYC برای SRAM و CPUهای پشته شده و همچنین سری MI300 برای پشته‌سازی بلوک‌های CPU/GPU روی قالب‌های I/O استفاده شده است. انتظار می‌رود پیوند هیبریدی نقش مهمی در پیشرفت‌های آینده HBM، به ویژه برای پشته‌های DRAM با لایه‌های بیش از ۱۶ یا ۲۰ Hi، ایفا کند.

۵. **دستگاه‌های نوری بسته‌بندی‌شده (CPO):** با افزایش تقاضا برای توان عملیاتی بالاتر و بهره‌وری توان، فناوری اتصال نوری توجه قابل توجهی را به خود جلب کرده است. دستگاه‌های نوری بسته‌بندی‌شده (CPO) در حال تبدیل شدن به یک راه‌حل کلیدی برای افزایش پهنای باند ورودی/خروجی و کاهش مصرف انرژی هستند. در مقایسه با انتقال الکتریکی سنتی، ارتباطات نوری مزایای متعددی از جمله تضعیف کمتر سیگنال در فواصل طولانی، کاهش حساسیت تداخل و افزایش قابل توجه پهنای باند را ارائه می‌دهد. این مزایا، CPO را به انتخابی ایده‌آل برای سیستم‌های HPC با حجم داده بالا و بهره‌وری انرژی بالا تبدیل می‌کند.

**بازارهای کلیدی برای رصد:**

بازار اصلی که توسعه فناوری‌های بسته‌بندی ۲.۵ بعدی و سه‌بعدی را هدایت می‌کند، بدون شک بخش محاسبات با کارایی بالا (HPC) است. این روش‌های پیشرفته بسته‌بندی برای غلبه بر محدودیت‌های قانون مور بسیار مهم هستند و امکان ترانزیستورها، حافظه و اتصالات بیشتر را در یک بسته واحد فراهم می‌کنند. تجزیه تراشه‌ها همچنین امکان استفاده بهینه از گره‌های فرآیند بین بلوک‌های عملکردی مختلف، مانند جداسازی بلوک‌های ورودی/خروجی از بلوک‌های پردازشی را فراهم می‌کند و باعث افزایش بیشتر کارایی می‌شود.

علاوه بر محاسبات با کارایی بالا (HPC)، انتظار می‌رود بازارهای دیگر نیز از طریق پذیرش فناوری‌های پیشرفته بسته‌بندی به رشد دست یابند. در بخش‌های 5G و 6G، نوآوری‌هایی مانند آنتن‌های بسته‌بندی و راه‌حل‌های تراشه پیشرفته، آینده معماری‌های شبکه دسترسی بی‌سیم (RAN) را شکل خواهند داد. خودروهای خودران نیز از این امر بهره‌مند خواهند شد، زیرا این فناوری‌ها از ادغام مجموعه‌های حسگر و واحدهای محاسباتی برای پردازش حجم زیادی از داده‌ها پشتیبانی می‌کنند و در عین حال ایمنی، قابلیت اطمینان، فشردگی، مدیریت توان و حرارت و مقرون‌به‌صرفه بودن را تضمین می‌کنند.

لوازم الکترونیکی مصرفی (از جمله تلفن‌های هوشمند، ساعت‌های هوشمند، دستگاه‌های AR/VR، رایانه‌های شخصی و ایستگاه‌های کاری) علیرغم تأکید بیشتر بر هزینه، به طور فزاینده‌ای بر پردازش داده‌های بیشتر در فضاهای کوچکتر متمرکز شده‌اند. بسته‌بندی نیمه‌هادی پیشرفته نقش کلیدی در این روند ایفا خواهد کرد، اگرچه روش‌های بسته‌بندی ممکن است با روش‌های مورد استفاده در HPC متفاوت باشد.