Los envases de semiconductores han evolucionado desde los diseños tradicionales de PCB 1D hasta la unión híbrida 3D de última generación a nivel de oblea. Este avance permite un espaciado de interconexión en el rango de micras de un solo dígito, con anchos de banda de hasta 1000 GB/s, manteniendo al mismo tiempo una alta eficiencia energética. En el centro de las tecnologías avanzadas de empaquetado de semiconductores se encuentran el empaquetado 2,5D (donde los componentes se colocan uno al lado del otro en una capa intermedia) y el empaquetado 3D (que implica el apilamiento vertical de chips activos). Estas tecnologías son cruciales para el futuro de los sistemas HPC.
La tecnología de envasado 2.5D implica varios materiales de capa intermedia, cada uno con sus propias ventajas y desventajas. Las capas intermedias de silicio (Si), incluidas las obleas de silicio totalmente pasivas y los puentes de silicio localizados, son conocidas por proporcionar las mejores capacidades de cableado, lo que las hace ideales para la informática de alto rendimiento. Sin embargo, son costosos en términos de materiales y fabricación y enfrentan limitaciones en el área de embalaje. Para mitigar estos problemas, está aumentando el uso de puentes de silicio localizados, empleando silicio estratégicamente donde la funcionalidad fina es crítica y al mismo tiempo aborda las limitaciones del área.
Las capas intermedias orgánicas, que utilizan plásticos moldeados en abanico, son una alternativa más rentable al silicio. Tienen una constante dieléctrica más baja, lo que reduce el retraso de RC en el paquete. A pesar de estas ventajas, las capas intermedias orgánicas luchan por lograr el mismo nivel de reducción de funciones de interconexión que los paquetes basados en silicio, lo que limita su adopción en aplicaciones informáticas de alto rendimiento.
Las capas intermedias de vidrio han despertado un gran interés, especialmente tras el reciente lanzamiento de Intel de embalajes para vehículos de prueba a base de vidrio. El vidrio ofrece varias ventajas, como un coeficiente ajustable de expansión térmica (CTE), alta estabilidad dimensional, superficies lisas y planas y la capacidad de soportar la fabricación de paneles, lo que lo convierte en un candidato prometedor para capas intermedias con capacidades de cableado comparables a las del silicio. Sin embargo, aparte de los desafíos técnicos, el principal inconveniente de las capas intermedias de vidrio es el ecosistema inmaduro y la actual falta de capacidad de producción a gran escala. A medida que el ecosistema madure y mejoren las capacidades de producción, las tecnologías basadas en vidrio en envases de semiconductores pueden experimentar un mayor crecimiento y adopción.
En términos de tecnología de envasado 3D, la unión híbrida Cu-Cu sin protuberancias se está convirtiendo en una tecnología innovadora líder. Esta técnica avanzada logra interconexiones permanentes combinando materiales dieléctricos (como SiO2) con metales incrustados (Cu). Los enlaces híbridos Cu-Cu pueden lograr espaciamientos inferiores a 10 micrones, generalmente en el rango de un solo dígito, lo que representa una mejora significativa con respecto a la tecnología tradicional de micro-protuberancias, que tiene espaciamientos de aproximadamente 40-50 micrones. Las ventajas del enlace híbrido incluyen mayor E/S, ancho de banda mejorado, apilamiento vertical 3D mejorado, mejor eficiencia energética y efectos parásitos y resistencia térmica reducidos debido a la ausencia de relleno inferior. Sin embargo, esta tecnología es compleja de fabricar y tiene costes más elevados.
Las tecnologías de embalaje 2,5D y 3D abarcan diversas técnicas de embalaje. En los envases 2,5D, según la elección de los materiales de la capa intermedia, se pueden clasificar en capas intermedias a base de silicio, de base orgánica y de vidrio, como se muestra en la figura anterior. En el envasado 3D, el desarrollo de la tecnología de microgolpes tiene como objetivo reducir las dimensiones de espaciado, pero hoy en día, al adoptar la tecnología de unión híbrida (un método de conexión directa Cu-Cu), se pueden lograr dimensiones de espaciado de un solo dígito, lo que marca un progreso significativo en el campo. .
**Tendencias tecnológicas clave a tener en cuenta:**
1. **Áreas de capa intermedia más grandes:** IDTechEx predijo anteriormente que debido a la dificultad de que las capas intermedias de silicio excedan un límite de tamaño de retícula de 3 veces, las soluciones de puentes de silicio 2.5D pronto reemplazarían las capas intermedias de silicio como la opción principal para empaquetar chips HPC. TSMC es un importante proveedor de capas intermedias de silicio 2.5D para NVIDIA y otros desarrolladores líderes de HPC como Google y Amazon, y la compañía anunció recientemente la producción en masa de su CoWoS_L de primera generación con un tamaño de retícula de 3.5x. IDTechEx espera que esta tendencia continúe, y en su informe se analizan más avances que cubren a los principales actores.
2. **Embalaje a nivel de panel:** El embalaje a nivel de panel se ha convertido en un foco importante, como se destacó en la Exposición Internacional de Semiconductores de Taiwán de 2024. Este método de embalaje permite el uso de capas intermedias más grandes y ayuda a reducir costos al producir más paquetes simultáneamente. A pesar de su potencial, todavía es necesario abordar desafíos como la gestión de la deformación. Su creciente prominencia refleja la creciente demanda de capas intermediarias más grandes y rentables.
3. **Capas intermedias de vidrio:** El vidrio se está convirtiendo en un material candidato sólido para lograr un cableado fino, comparable al silicio, con ventajas adicionales como un CTE ajustable y una mayor confiabilidad. Las capas intermedias de vidrio también son compatibles con el embalaje a nivel de panel, lo que ofrece la posibilidad de cableado de alta densidad a costes más manejables, lo que la convierte en una solución prometedora para futuras tecnologías de embalaje.
4. **Enlace híbrido HBM:** El enlace híbrido cobre-cobre (Cu-Cu) 3D es una tecnología clave para lograr interconexiones verticales de paso ultrafino entre chips. Esta tecnología se ha utilizado en varios productos de servidores de alta gama, incluido AMD EPYC para CPU y SRAM apiladas, así como la serie MI300 para apilar bloques de CPU/GPU en matrices de E/S. Se espera que los enlaces híbridos desempeñen un papel crucial en futuros avances de HBM, especialmente para pilas de DRAM que superen las capas 16-Hi o 20-Hi.
5. **Dispositivos ópticos empaquetados conjuntamente (CPO):** Con la creciente demanda de mayor rendimiento de datos y eficiencia energética, la tecnología de interconexión óptica ha ganado una atención considerable. Los dispositivos ópticos empaquetados (CPO) se están convirtiendo en una solución clave para mejorar el ancho de banda de E/S y reducir el consumo de energía. En comparación con la transmisión eléctrica tradicional, la comunicación óptica ofrece varias ventajas, incluida una menor atenuación de la señal en largas distancias, una sensibilidad reducida a la diafonía y un ancho de banda significativamente mayor. Estas ventajas hacen de CPO una opción ideal para sistemas HPC con uso intensivo de datos y eficiencia energética.
**Mercados clave a tener en cuenta:**
El principal mercado que impulsa el desarrollo de tecnologías de embalaje 2,5D y 3D es, sin duda, el sector de la informática de alto rendimiento (HPC). Estos métodos de empaquetado avanzados son cruciales para superar las limitaciones de la Ley de Moore, permitiendo más transistores, memoria e interconexiones dentro de un solo paquete. La descomposición de chips también permite una utilización óptima de los nodos de proceso entre diferentes bloques funcionales, como separar los bloques de E/S de los bloques de procesamiento, lo que mejora aún más la eficiencia.
Además de la informática de alto rendimiento (HPC), también se espera que otros mercados logren crecimiento mediante la adopción de tecnologías de embalaje avanzadas. En los sectores 5G y 6G, innovaciones como las antenas empaquetadas y las soluciones de chips de vanguardia darán forma al futuro de las arquitecturas de redes de acceso inalámbrico (RAN). Los vehículos autónomos también se beneficiarán, ya que estas tecnologías respaldan la integración de conjuntos de sensores y unidades informáticas para procesar grandes cantidades de datos, garantizando al mismo tiempo seguridad, confiabilidad, compacidad, gestión energética y térmica, y rentabilidad.
La electrónica de consumo (incluidos teléfonos inteligentes, relojes inteligentes, dispositivos AR/VR, PC y estaciones de trabajo) se centra cada vez más en procesar más datos en espacios más pequeños, a pesar de un mayor énfasis en los costos. El empaquetado de semiconductores avanzados desempeñará un papel clave en esta tendencia, aunque los métodos de empaquetado pueden diferir de los utilizados en HPC.
Hora de publicación: 25 de octubre de 2024