صنعت تراشه‌های خودرو در حال تغییر است
اخیراً، تیم مهندسی نیمه‌هادی در مورد تراشه‌های کوچک، پیوند هیبریدی و مواد جدید با مایکل کلی، معاون رئیس بخش تراشه‌های کوچک و ادغام FCBGA شرکت Amkor، بحث و گفتگو کرد. همچنین ویلیام چن، محقق ASE، دیک اته، مدیرعامل Promex Industries، و ساندر روزندال، مدیر تحقیق و توسعه Synopsys Photonics Solutions، در این بحث شرکت داشتند. در زیر گزیده‌هایی از این بحث آمده است.
برای سال‌های متمادی، توسعه تراشه‌های خودرو جایگاه پیشرو در صنعت را نداشت. با این حال، با ظهور خودروهای برقی و توسعه سیستم‌های پیشرفته سرگرمی، این وضعیت به طرز چشمگیری تغییر کرده است. چه مشکلاتی را مشاهده کرده‌اید؟
کلی: سیستم‌های پیشرفته کمک راننده (ADAS) سطح بالا برای رقابت در بازار به پردازنده‌هایی با فرآیند ۵ نانومتری یا کوچکتر نیاز دارند. وقتی وارد فرآیند ۵ نانومتری می‌شوید، باید هزینه‌های ویفر را در نظر بگیرید که منجر به بررسی دقیق راه‌حل‌های تراشه کوچک می‌شود، زیرا تولید تراشه‌های بزرگ با فرآیند ۵ نانومتری دشوار است. علاوه بر این، بازده کم است و در نتیجه هزینه‌های بسیار بالایی دارد. هنگام برخورد با فرآیندهای ۵ نانومتری یا پیشرفته‌تر، مشتریان معمولاً به جای استفاده از کل تراشه، بخشی از تراشه ۵ نانومتری را انتخاب می‌کنند و در عین حال سرمایه‌گذاری در مرحله بسته‌بندی را افزایش می‌دهند. آنها ممکن است فکر کنند: "آیا دستیابی به عملکرد مورد نیاز از این طریق، به جای تلاش برای تکمیل تمام عملکردها در یک تراشه بزرگتر، گزینه مقرون به صرفه‌تری خواهد بود؟" بنابراین، بله، شرکت‌های خودروسازی سطح بالا قطعاً به فناوری تراشه کوچک توجه می‌کنند. شرکت‌های پیشرو در این صنعت از نزدیک این موضوع را زیر نظر دارند. در مقایسه با حوزه محاسبات، صنعت خودرو احتمالاً ۲ تا ۴ سال در کاربرد فناوری تراشه کوچک عقب مانده است، اما روند کاربرد آن در بخش خودرو مشخص است. صنعت خودرو الزامات قابلیت اطمینان بسیار بالایی دارد، بنابراین قابلیت اطمینان فناوری تراشه‌های کوچک باید اثبات شود. با این حال، کاربرد گسترده فناوری تراشه‌های کوچک در حوزه خودرو قطعاً در راه است.
چن: من هیچ مانع قابل توجهی را متوجه نشده‌ام. فکر می‌کنم بیشتر به نیاز به یادگیری و درک عمیق الزامات صدور گواهینامه مربوطه مربوط می‌شود. این به سطح مترولوژی برمی‌گردد. چگونه می‌توانیم بسته‌هایی تولید کنیم که استانداردهای بسیار سختگیرانه خودرو را برآورده کنند؟ اما مسلم است که فناوری مربوطه به طور مداوم در حال تکامل است.
با توجه به مسائل حرارتی و پیچیدگی‌های فراوان مرتبط با اجزای چند قالبی، آیا پروفایل‌های تست استرس جدید یا انواع مختلف تست‌ها وجود خواهد داشت؟ آیا استانداردهای فعلی JEDEC می‌توانند چنین سیستم‌های یکپارچه‌ای را پوشش دهند؟
چن: من معتقدم که ما باید روش‌های تشخیصی جامع‌تری را برای شناسایی واضح منبع خرابی‌ها توسعه دهیم. ما در مورد ترکیب مترولوژی با تشخیص بحث کرده‌ایم و مسئولیت داریم که بفهمیم چگونه بسته‌های مقاوم‌تری بسازیم، از مواد و فرآیندهای با کیفیت بالاتر استفاده کنیم و آنها را اعتبارسنجی کنیم.
کلی: امروزه، ما در حال انجام مطالعات موردی با مشتریانی هستیم که از آزمایش سطح سیستم، به ویژه آزمایش تأثیر دما در آزمایش‌های عملکردی برد، چیزهایی آموخته‌اند که در آزمایش JEDEC پوشش داده نمی‌شود. آزمایش JEDEC صرفاً آزمایش ایزوترمال است که شامل "افزایش، کاهش و انتقال دما" می‌شود. با این حال، توزیع دما در بسته‌های واقعی با آنچه در دنیای واقعی اتفاق می‌افتد، بسیار متفاوت است. مشتریان بیشتر و بیشتری می‌خواهند آزمایش سطح سیستم را زودتر انجام دهند زیرا این وضعیت را درک می‌کنند، اگرچه همه از آن آگاه نیستند. فناوری شبیه‌سازی نیز در اینجا نقش دارد. اگر کسی در شبیه‌سازی ترکیبی حرارتی-مکانیکی مهارت داشته باشد، تجزیه و تحلیل مشکلات آسان‌تر می‌شود زیرا می‌داند در طول آزمایش روی چه جنبه‌هایی تمرکز کند. آزمایش سطح سیستم و فناوری شبیه‌سازی مکمل یکدیگر هستند. با این حال، این روند هنوز در مراحل اولیه خود است.
آیا در گره‌های فناوری بالغ، مسائل حرارتی بیشتری نسبت به گذشته برای رسیدگی وجود دارد؟
اوت: بله، اما در چند سال گذشته، مسائل مربوط به همسطحی به طور فزاینده‌ای برجسته شده‌اند. ما ۵۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ ستون مسی را روی یک تراشه می‌بینیم که بین ۵۰ میکرون و ۱۲۷ میکرون از هم فاصله دارند. اگر داده‌های مربوطه را با دقت بررسی کنید، متوجه خواهید شد که قرار دادن این ستون‌های مسی روی زیرلایه و انجام عملیات گرمایش، سرمایش و لحیم‌کاری جریان مجدد، نیاز به دستیابی به دقت همسطحی حدود یک در صد هزار دارد. دقت یک در صد هزار مانند یافتن یک تیغه چمن در طول یک زمین فوتبال است. ما برخی از ابزارهای Keyence با کارایی بالا را برای اندازه‌گیری صافی تراشه و زیرلایه خریداری کرده‌ایم. البته، سوال بعدی این است که چگونه می‌توان این پدیده تاب برداشتن را در طول چرخه لحیم‌کاری جریان مجدد کنترل کرد؟ این یک مسئله فوری است که باید به آن پرداخته شود.
چن: من بحث‌هایی را در مورد پونته وکیو به یاد دارم، که در آن از لحیم کاری با دمای پایین به دلایل مونتاژ و نه به دلایل عملکردی استفاده می‌کردند.
با توجه به اینکه تمام مدارهای اطراف هنوز مشکلات حرارتی دارند، چگونه باید فوتونیک را در این امر ادغام کرد؟
روزندال: شبیه‌سازی حرارتی باید برای همه جنبه‌ها انجام شود و استخراج فرکانس بالا نیز ضروری است زیرا سیگنال‌های ورودی، سیگنال‌های فرکانس بالا هستند. بنابراین، مسائلی مانند تطبیق امپدانس و اتصال زمین مناسب باید مورد توجه قرار گیرند. ممکن است گرادیان‌های دمایی قابل توجهی وجود داشته باشد که ممکن است در داخل خود قالب یا بین آنچه ما قالب "E" (قالب الکتریکی) و قالب "P" (قالب فوتونی) می‌نامیم، وجود داشته باشد. من کنجکاوم که آیا لازم است عمیق‌تر به ویژگی‌های حرارتی چسب‌ها بپردازیم.
این موضوع بحث‌هایی را در مورد مواد اتصال‌دهنده، انتخاب آنها و پایداری در طول زمان مطرح می‌کند. بدیهی است که فناوری اتصال هیبریدی در دنیای واقعی به کار گرفته شده است، اما هنوز برای تولید انبوه مورد استفاده قرار نگرفته است. وضعیت فعلی این فناوری چگونه است؟
کلی: همه طرف‌های زنجیره تأمین به فناوری پیوند هیبریدی توجه دارند. در حال حاضر، این فناوری عمدتاً توسط ریخته‌گری‌ها هدایت می‌شود، اما شرکت‌های OSAT (برون‌سپاری مونتاژ و آزمایش نیمه‌رسانا) نیز به طور جدی در حال مطالعه کاربردهای تجاری آن هستند. اجزای پیوند دی‌الکتریک هیبریدی مسی کلاسیک، اعتبارسنجی بلندمدتی را پشت سر گذاشته‌اند. اگر بتوان تمیزی را کنترل کرد، این فرآیند می‌تواند اجزای بسیار مقاومی تولید کند. با این حال، الزامات تمیزی بسیار بالایی دارد و هزینه‌های تجهیزات سرمایه‌ای بسیار بالا است. ما تلاش‌های اولیه برای استفاده از این فناوری را در خط تولید Ryzen شرکت AMD تجربه کردیم، جایی که بیشتر SRAMها از فناوری پیوند هیبریدی مسی استفاده می‌کردند. با این حال، من مشتریان زیادی را ندیده‌ام که از این فناوری استفاده کنند. اگرچه این فناوری در نقشه راه فناوری بسیاری از شرکت‌ها قرار دارد، اما به نظر می‌رسد که چند سال دیگر طول می‌کشد تا مجموعه تجهیزات مرتبط، الزامات تمیزی مستقل را برآورده کنند. اگر بتوان آن را در یک محیط کارخانه‌ای با تمیزی کمی پایین‌تر از یک کارخانه تولید ویفر معمولی اعمال کرد و اگر بتوان به هزینه‌های کمتری دست یافت، شاید این فناوری توجه بیشتری را به خود جلب کند.
چن: طبق آمار من، حداقل ۳۷ مقاله در مورد پیوند هیبریدی در کنفرانس ECTC 2024 ارائه خواهد شد. این فرآیندی است که به تخصص زیادی نیاز دارد و شامل مقدار قابل توجهی از عملیات دقیق در طول مونتاژ است. بنابراین این فناوری قطعاً کاربرد گسترده‌ای خواهد داشت. در حال حاضر برخی موارد کاربردی وجود دارد، اما در آینده، در زمینه‌های مختلف رواج بیشتری خواهد یافت.
وقتی از «عملیات خوب» صحبت می‌کنید، آیا به نیاز به سرمایه‌گذاری مالی قابل توجه اشاره دارید؟
چن: البته، این شامل زمان و تخصص می‌شود. انجام این عملیات نیاز به یک محیط بسیار تمیز دارد که مستلزم سرمایه‌گذاری مالی است. همچنین به تجهیزات مرتبط نیاز دارد که به طور مشابه نیاز به بودجه دارد. بنابراین این نه تنها شامل هزینه‌های عملیاتی، بلکه سرمایه‌گذاری در تأسیسات نیز می‌شود.
کلی: در مواردی که فاصله بین ویفرها ۱۵ میکرون یا بیشتر است، علاقه زیادی به استفاده از فناوری ویفر به ویفر ستون مسی وجود دارد. در حالت ایده‌آل، ویفرها مسطح هستند و اندازه تراشه‌ها خیلی بزرگ نیست و امکان جریان مجدد با کیفیت بالا برای برخی از این فاصله‌ها را فراهم می‌کند. اگرچه این امر چالش‌هایی را ایجاد می‌کند، اما بسیار کم‌هزینه‌تر از استفاده از فناوری پیوند هیبریدی مس است. با این حال، اگر دقت مورد نیاز ۱۰ میکرون یا کمتر باشد، وضعیت تغییر می‌کند. شرکت‌هایی که از فناوری انباشت تراشه استفاده می‌کنند، به فواصل میکرونی تک رقمی، مانند ۴ یا ۵ میکرون، دست خواهند یافت و جایگزینی وجود ندارد. بنابراین، فناوری مربوطه ناگزیر توسعه خواهد یافت. با این حال، فناوری‌های موجود نیز به طور مداوم در حال بهبود هستند. بنابراین اکنون ما بر محدودیت‌هایی که ستون‌های مسی می‌توانند گسترش دهند و اینکه آیا این فناوری به اندازه کافی دوام خواهد داشت تا مشتریان تمام سرمایه‌گذاری‌های طراحی و توسعه "صلاحیت" در فناوری پیوند هیبریدی مس واقعی را به تأخیر بیندازند، تمرکز می‌کنیم.
چن: ما فقط زمانی فناوری‌های مرتبط را اتخاذ خواهیم کرد که تقاضا وجود داشته باشد.
آیا در حال حاضر پیشرفت‌های جدید زیادی در زمینه ترکیبات قالب‌گیری اپوکسی وجود دارد؟
کلی: ترکیبات قالب‌گیری دستخوش تغییرات قابل توجهی شده‌اند. ضریب انبساط حرارتی (CTE) آنها به میزان قابل توجهی کاهش یافته است، که آنها را برای کاربردهای مرتبط از دیدگاه فشار مطلوب‌تر می‌کند.
اوته: برگردیم به بحث قبلی‌مان، در حال حاضر چند تراشه نیمه‌هادی با فاصله ۱ یا ۲ میکرون تولید می‌شود؟
کلی: بخش قابل توجهی.
چن: احتمالاً کمتر از ۱٪.
اوت: بنابراین فناوری مورد بحث ما جریان اصلی نیست. در مرحله تحقیق نیست، زیرا شرکت‌های پیشرو در واقع از این فناوری استفاده می‌کنند، اما پرهزینه است و بازده کمی دارد.
کلی: این فناوری عمدتاً در محاسبات با کارایی بالا کاربرد دارد. امروزه نه تنها در مراکز داده، بلکه در رایانه‌های شخصی پیشرفته و حتی برخی از دستگاه‌های دستی نیز استفاده می‌شود. اگرچه این دستگاه‌ها نسبتاً کوچک هستند، اما همچنان عملکرد بالایی دارند. با این حال، در زمینه وسیع‌تر پردازنده‌ها و کاربردهای CMOS، سهم آن نسبتاً کم است. برای تولیدکنندگان تراشه معمولی، نیازی به اتخاذ این فناوری نیست.
اوته: به همین دلیل است که ورود این فناوری به صنعت خودرو تعجب‌آور است. خودروها نیازی به تراشه‌های بسیار کوچک ندارند. آنها می‌توانند در فرآیندهای ۲۰ یا ۴۰ نانومتری باقی بمانند، زیرا هزینه هر ترانزیستور در نیمه‌هادی‌ها در این فرآیند کمترین مقدار را دارد.
کلی: با این حال، الزامات محاسباتی برای ADAS یا رانندگی خودکار مشابه الزامات کامپیوترهای شخصی هوش مصنوعی یا دستگاه‌های مشابه است. بنابراین، صنعت خودرو نیاز به سرمایه‌گذاری در این فناوری‌های پیشرفته دارد.
اگر چرخه تولید پنج سال باشد، آیا پذیرش فناوری‌های جدید می‌تواند این مزیت را برای پنج سال دیگر تمدید کند؟
کلی: این نکته بسیار منطقی است. صنعت خودرو زاویه دیگری دارد. کنترل‌کننده‌های سروو ساده یا دستگاه‌های آنالوگ نسبتاً ساده‌ای را در نظر بگیرید که 20 سال است وجود دارند و بسیار کم‌هزینه هستند. آنها از تراشه‌های کوچک استفاده می‌کنند. افراد در صنعت خودرو می‌خواهند به استفاده از این محصولات ادامه دهند. آنها فقط می‌خواهند روی دستگاه‌های محاسباتی بسیار پیشرفته با تراشه‌های کوچک دیجیتال سرمایه‌گذاری کنند و احتمالاً آنها را با تراشه‌های آنالوگ کم‌هزینه، حافظه فلش و تراشه‌های RF جفت کنند. برای آنها، مدل تراشه کوچک بسیار منطقی است زیرا می‌توانند بسیاری از قطعات کم‌هزینه، پایدار و نسل قدیمی را حفظ کنند. آنها نه می‌خواهند و نه نیازی به تغییر این قطعات دارند. سپس، آنها فقط باید یک تراشه کوچک 5 نانومتری یا 3 نانومتری پیشرفته اضافه کنند تا عملکردهای بخش ADAS را انجام دهد. در واقع، آنها انواع مختلفی از تراشه‌های کوچک را در یک محصول به کار می‌برند. برخلاف زمینه‌های کامپیوتر شخصی و محاسبات، صنعت خودرو طیف متنوع‌تری از کاربردها را دارد.
چن: علاوه بر این، این تراشه‌ها لازم نیست کنار موتور نصب شوند، بنابراین شرایط محیطی نسبتاً بهتر است.
کلی: دمای محیط در خودروها بسیار بالاست. بنابراین، حتی اگر قدرت تراشه خیلی بالا نباشد، صنعت خودرو باید مقداری بودجه را صرف راه‌حل‌های خوب مدیریت حرارتی کند و حتی ممکن است استفاده از TIM (مواد رابط حرارتی) ایندیوم را در نظر بگیرد زیرا شرایط محیطی بسیار سخت است.
زمان ارسال: 28 آوریل 2025