Automobiļu mikroshēmu nozare piedzīvo pārmaiņas
Nesen pusvadītāju inženieru komanda ar Maiklu Keliju, Amkor mazo mikroshēmu un FCBGA integrācijas viceprezidentu, apsprieda mazas mikroshēmas, hibrīdsavienošanu un jaunus materiālus. Diskusijā piedalījās arī ASE pētnieks Viljams Čens, Promex Industries izpilddirektors Diks Ote un Sanders Rozendāls, Synopsys Photonics Solutions pētniecības un attīstības direktors. Zemāk ir sniegti fragmenti no šīs diskusijas.
Daudzus gadus automobiļu mikroshēmu izstrāde neieņēma vadošo pozīciju nozarē. Tomēr, pieaugot elektrotransportlīdzekļu skaitam un attīstoties modernām informācijas un izklaides sistēmām, šī situācija ir dramatiski mainījusies. Kādas problēmas esat pamanījis?
Kelija: Augstas klases ADAS (uzlabotas vadītāja palīdzības sistēmas) prasa procesorus ar 5 nanometru vai mazāku procesu, lai tie būtu konkurētspējīgi tirgū. Kad esat ieviesis 5 nanometru procesu, jums jāņem vērā plākšņu izmaksas, kas liek rūpīgi apsvērt mazo mikroshēmu risinājumus, jo ir grūti ražot lielas mikroshēmas, izmantojot 5 nanometru procesu. Turklāt ražība ir zema, kā rezultātā izmaksas ir ārkārtīgi augstas. Strādājot ar 5 nanometru vai sarežģītākiem procesiem, klienti parasti apsver iespēju izvēlēties daļu no 5 nanometru mikroshēmas, nevis izmantot visu mikroshēmu, vienlaikus palielinot ieguldījumus iepakošanas posmā. Viņi varētu domāt: "Vai nebūtu izmaksu ziņā efektīvāk sasniegt nepieciešamo veiktspēju šādā veidā, nevis mēģināt visas funkcijas veikt lielākā mikroshēmā?" Tātad, jā, augstas klases autobūves uzņēmumi noteikti pievērš uzmanību mazo mikroshēmu tehnoloģijai. Vadošie uzņēmumi šajā nozarē to rūpīgi uzrauga. Salīdzinot ar skaitļošanas jomu, autobūves nozare, iespējams, atpaliek par 2 līdz 4 gadiem mazo mikroshēmu tehnoloģijas pielietošanā, taču tendence tās pielietošanā autobūves nozarē ir skaidra. Automobiļu rūpniecībai ir ārkārtīgi augstas uzticamības prasības, tāpēc mazo mikroshēmu tehnoloģijas uzticamība ir jāpierāda. Tomēr plaša mēroga mazo mikroshēmu tehnoloģijas pielietošana autobūves jomā noteikti ir ceļā.
Čens: Es neesmu pamanījis nekādus būtiskus šķēršļus. Manuprāt, tas drīzāk ir saistīts ar nepieciešamību padziļināti apgūt un izprast attiecīgās sertifikācijas prasības. Tas atgriežas pie metroloģijas līmeņa. Kā mēs ražojam iepakojumus, kas atbilst ārkārtīgi stingrajiem automobiļu standartiem? Taču ir skaidrs, ka attiecīgā tehnoloģija nepārtraukti attīstās.
Ņemot vērā daudzās termiskās problēmas un sarežģītību, kas saistīta ar vairāku mikroshēmu komponentiem, vai būs jauni stresa testu profili vai dažādi testu veidi? Vai pašreizējie JEDEC standarti var aptvert šādas integrētas sistēmas?
Čens: Es uzskatu, ka mums ir jāizstrādā visaptverošākas diagnostikas metodes, lai skaidri noteiktu kļūmju avotu. Mēs esam apsprieduši metroloģijas apvienošanu ar diagnostiku, un mūsu pienākums ir izdomāt, kā izveidot izturīgākus iepakojumus, izmantot augstākas kvalitātes materiālus un procesus, kā arī tos validēt.
Kelija: Mūsdienās mēs veicam gadījumu izpēti ar klientiem, kuri ir iemācījušies kaut ko no sistēmas līmeņa testēšanas, īpaši temperatūras ietekmes testēšanas funkcionālo plates testos, kas nav ietverts JEDEC testēšanā. JEDEC testēšana ir tikai izotermiska testēšana, kas ietver "temperatūras paaugstināšanos, pazemināšanos un temperatūras pāreju". Tomēr temperatūras sadalījums faktiskajos korpusos ir tālu no tā, kas notiek reālajā pasaulē. Arvien vairāk klientu vēlas veikt sistēmas līmeņa testēšanu jau agrīnā stadijā, jo viņi saprot šo situāciju, lai gan ne visi par to ir informēti. Šeit lomu spēlē arī simulācijas tehnoloģija. Ja cilvēks ir prasmīgs termiski mehānisko kombināciju simulācijā, problēmu analīze kļūst vieglāka, jo viņš zina, uz kādiem aspektiem koncentrēties testēšanas laikā. Sistēmas līmeņa testēšana un simulācijas tehnoloģija viena otru papildina. Tomēr šī tendence joprojām ir agrīnā stadijā.
Vai nobriedušu tehnoloģiju mezglos ir jārisina vairāk termisku problēmu nekā agrāk?
Otte: Jā, bet pēdējo pāris gadu laikā koplanaritātes problēmas ir kļuvušas arvien izteiktākas. Uz mikroshēmas mēs redzam 5000 līdz 10 000 vara stabiņu, kas izvietoti no 50 mikroniem līdz 127 mikroniem viens no otra. Ja rūpīgi izpētīsiet attiecīgos datus, jūs atklāsiet, ka šo vara stabiņu novietošanai uz substrāta un sildīšanas, dzesēšanas un atkārtotas lodēšanas operāciju veikšanai ir nepieciešams sasniegt aptuveni vienu simttūkstošās daļas koplanaritātes precizitāti. Viena simttūkstošās daļas precizitāte ir kā zāles stiebra atrašana futbola laukuma garumā. Mēs esam iegādājušies dažus augstas veiktspējas Keyence instrumentus, lai izmērītu mikroshēmas un substrāta līdzenumu. Protams, rodas jautājums, kā kontrolēt šo deformācijas parādību atkārtotas lodēšanas cikla laikā? Šis ir steidzams jautājums, kas jārisina.
Čens: Es atceros diskusijas par Ponte Vecchio, kur viņi izmantoja zemas temperatūras lodmetālu montāžas, nevis veiktspējas apsvērumu dēļ.
Ņemot vērā, ka visām tuvumā esošajām ķēdēm joprojām ir termiskas problēmas, kā fotonika būtu jāintegrē šajā sistēmā?
Roosendaal: Termiskā simulācija ir jāveic visos aspektos, un ir nepieciešama arī augstfrekvences ekstrakcija, jo ienākošie signāli ir augstfrekvences signāli. Tāpēc ir jārisina tādi jautājumi kā impedances saskaņošana un pareiza zemēšana. Var būt ievērojamas temperatūras gradienti, kas var pastāvēt pašā mikroshēmā vai starp to, ko mēs saucam par "E" mikroshēmu (elektrisko mikroshēmu) un "P" mikroshēmu (fotonu mikroshēmu). Man ir interesanti, vai mums ir jāiedziļinās līmju termiskajās īpašībās.
Tas izraisa diskusijas par līmēšanas materiāliem, to izvēli un stabilitāti laika gaitā. Ir skaidrs, ka hibrīdlīmēšanas tehnoloģija ir pielietota reālajā pasaulē, taču tā vēl nav izmantota masveida ražošanā. Kāds ir šīs tehnoloģijas pašreizējais stāvoklis?
Kelija: Visas piegādes ķēdes puses pievērš uzmanību hibrīdsavienojuma tehnoloģijai. Pašlaik šo tehnoloģiju galvenokārt izmanto lietuves, taču arī OSAT (ārpakalpojumu pusvadītāju montāžas un testēšanas) uzņēmumi nopietni pēta tās komerciālo pielietojumu. Klasiskās vara hibrīddielektriskās savienošanas komponentes ir ilgstoši validētas. Ja tīrību var kontrolēt, šis process var radīt ļoti izturīgus komponentus. Tomēr tam ir ārkārtīgi augstas tīrības prasības, un kapitālieguldījumu iekārtu izmaksas ir ļoti augstas. Agrīnus pielietošanas mēģinājumus mēs piedzīvojām AMD Ryzen produktu līnijā, kur lielākā daļa SRAM izmantoja vara hibrīdsavienojuma tehnoloģiju. Tomēr es neesmu redzējis daudzus citus klientus, kas izmanto šo tehnoloģiju. Lai gan tā ir daudzu uzņēmumu tehnoloģiju plānos, šķiet, ka būs nepieciešami vēl daži gadi, līdz saistītās iekārtu komplekti atbilst neatkarīgajām tīrības prasībām. Ja to varēs pielietot rūpnīcas vidē ar nedaudz zemāku tīrības līmeni nekā tipiskā vafeļu ražotnē, un ja varēs panākt zemākas izmaksas, tad, iespējams, šī tehnoloģija saņems lielāku uzmanību.
Čens: Saskaņā ar manu statistiku, 2024. gada ECTC konferencē tiks prezentēti vismaz 37 referāti par hibrīdo savienošanu. Šis ir process, kam nepieciešama liela pieredze un kas montāžas laikā ietver ievērojamu skaitu smalku darbību. Tāpēc šī tehnoloģija noteikti tiks plaši pielietota. Jau ir daži pielietojuma gadījumi, taču nākotnē tā kļūs izplatītāka dažādās jomās.
Kad jūs pieminat "smalkas darbības", vai jūs domājat nepieciešamību pēc ievērojamiem finanšu ieguldījumiem?
Čens: Protams, tas prasa laiku un zināšanas. Šīs operācijas veikšanai nepieciešama ļoti tīra vide, kas prasa finansiālus ieguldījumus. Tai nepieciešams arī saistīts aprīkojums, kam līdzīgi nepieciešams finansējums. Tātad tas ietver ne tikai ekspluatācijas izmaksas, bet arī ieguldījumus aprīkojumā.
Kelija: Gadījumos, kad atstarpe ir 15 mikroni vai lielāka, pastāv ievērojama interese par vara pīlāru plāksnīšu tehnoloģijas izmantošanu. Ideālā gadījumā plāksnītes ir plakanas, un mikroshēmu izmēri nav ļoti lieli, kas dažiem no šiem atstarpēm ļauj veikt augstas kvalitātes pārflēšanu. Lai gan tas rada zināmas problēmas, tas ir daudz lētāk nekā vara hibrīdsavienojuma tehnoloģijas izmantošana. Tomēr, ja precizitātes prasība ir 10 mikroni vai mazāka, situācija mainās. Uzņēmumi, kas izmanto mikroshēmu sakraušanas tehnoloģiju, sasniegs viencipara mikronu atstarpes, piemēram, 4 vai 5 mikronus, un alternatīvas nav. Tāpēc attiecīgā tehnoloģija neizbēgami attīstīsies. Tomēr arī esošās tehnoloģijas nepārtraukti uzlabojas. Tāpēc tagad mēs koncentrējamies uz vara pīlāru stiepšanās robežām un to, vai šī tehnoloģija kalpos pietiekami ilgi, lai klienti atliktu visus projektēšanas un "kvalifikācijas" attīstības ieguldījumus patiesā vara hibrīdsavienojuma tehnoloģijā.
Čens: Mēs ieviesīsim atbilstošas tehnoloģijas tikai tad, kad būs pieprasījums.
Vai epoksīda formēšanas maisījumu jomā pašlaik ir daudz jaunu sasniegumu?
Kelija: Līmēšanas maisījumi ir piedzīvojuši būtiskas izmaiņas. To CTE (termiskās izplešanās koeficients) ir ievērojami samazināts, padarot tos labvēlīgākus attiecīgajiem pielietojumiem no spiediena viedokļa.
Otte: Atgriežoties pie mūsu iepriekšējās diskusijas, cik pusvadītāju mikroshēmu pašlaik tiek ražotas ar 1 vai 2 mikronu atstarpi?
Kelija: Ievērojama daļa.
Čens: Droši vien mazāk nekā 1%.
Otte: Tātad tehnoloģija, par kuru mēs runājam, nav plaši izplatīta. Tā nav pētniecības fāzē, jo vadošie uzņēmumi patiešām izmanto šo tehnoloģiju, taču tā ir dārga un ar zemu ražību.
Kelija: To galvenokārt izmanto augstas veiktspējas skaitļošanā. Mūsdienās to izmanto ne tikai datu centros, bet arī augstas klases datoros un pat dažās rokas ierīcēs. Lai gan šīs ierīces ir salīdzinoši mazas, tām joprojām ir augsta veiktspēja. Tomēr plašākā procesoru un CMOS lietojumprogrammu kontekstā to īpatsvars joprojām ir salīdzinoši mazs. Parastajiem mikroshēmu ražotājiem nav nepieciešams ieviest šo tehnoloģiju.
Otte: Tāpēc ir pārsteidzoši redzēt šo tehnoloģiju ienākam autobūves nozarē. Automašīnām nav nepieciešamas ārkārtīgi mazas mikroshēmas. Tās var palikt pie 20 vai 40 nanometru procesiem, jo pusvadītāju tranzistora izmaksas šajā procesā ir viszemākās.
Kelija: Tomēr ADAS jeb autonomās braukšanas skaitļošanas prasības ir tādas pašas kā mākslīgā intelekta datoriem vai līdzīgām ierīcēm. Tāpēc autobūves nozarei ir jāiegulda šajās modernākajās tehnoloģijās.
Ja produkta cikls ir pieci gadi, vai jaunu tehnoloģiju ieviešana varētu pagarināt priekšrocības vēl par pieciem gadiem?
Kelija: Tas ir ļoti saprātīgs arguments. Automobiļu rūpniecībai ir cits skatījums. Apsveriet vienkāršus servo kontrolierus vai relatīvi vienkāršas analogās ierīces, kas pastāv jau 20 gadus un ir ļoti lētas. Tās izmanto mazas mikroshēmas. Automobiļu rūpniecības cilvēki vēlas turpināt izmantot šos produktus. Viņi vēlas ieguldīt tikai ļoti augstas klases skaitļošanas ierīcēs ar digitālām mazām mikroshēmām un, iespējams, savienot tās pārī ar lētām analogām mikroshēmām, zibatmiņu un RF mikroshēmām. Viņiem mazo mikroshēmu modelis ir ļoti loģisks, jo viņi var saglabāt daudzas lētas, stabilas, vecākas paaudzes detaļas. Viņi nevēlas mainīt šīs detaļas, un tas arī nav nepieciešams. Pēc tam viņiem vienkārši jāpievieno augstas klases 5 nanometru vai 3 nanometru maza mikroshēma, lai pildītu ADAS daļas funkcijas. Faktiski viņi vienā produktā izmanto dažāda veida mazas mikroshēmas. Atšķirībā no datoru un skaitļošanas jomām, autobūves nozarei ir daudzveidīgāks pielietojumu klāsts.
Čens: Turklāt šīs mikroshēmas nav jāuzstāda blakus dzinējam, tāpēc vides apstākļi ir salīdzinoši labāki.
Kelija: Automašīnās apkārtējās vides temperatūra ir diezgan augsta. Tāpēc, pat ja mikroshēmas jauda nav īpaši augsta, autobūves nozarei ir jāiegulda līdzekļi labos termiskās pārvaldības risinājumos un, iespējams, pat jāapsver indija TIM (termiskās saskarnes materiālu) izmantošana, jo vides apstākļi ir ļoti skarbi.
Publicēšanas laiks: 2025. gada 28. aprīlis