La industria de chips para automoción está experimentando cambios
Recientemente, el equipo de ingeniería de semiconductores conversó sobre chips pequeños, enlaces híbridos y nuevos materiales con Michael Kelly, vicepresidente de integración de chips pequeños y FCBGA de Amkor. También participaron en la conversación el investigador de ASE, William Chen; el director ejecutivo de Promex Industries, Dick Otte; y Sander Roosendaal, director de I+D de Synopsys Photonics Solutions. A continuación, se presentan extractos de la conversación.
Durante muchos años, el desarrollo de chips automotrices no ocupó un lugar destacado en la industria. Sin embargo, con el auge de los vehículos eléctricos y el desarrollo de sistemas avanzados de infoentretenimiento, esta situación ha cambiado drásticamente. ¿Qué problemas ha detectado?
Kelly: Los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS) de alta gama requieren procesadores con un proceso de 5 nanómetros o menos para ser competitivos en el mercado. Una vez que se introduce el proceso de 5 nanómetros, hay que considerar los costos de las obleas, lo que lleva a considerar cuidadosamente las soluciones de chips pequeños, ya que es difícil fabricar chips grandes con el proceso de 5 nanómetros. Además, el rendimiento es bajo, lo que resulta en costos extremadamente altos. Al trabajar con procesos de 5 nanómetros o más avanzados, los clientes suelen considerar seleccionar una parte del chip de 5 nanómetros en lugar de utilizarlo completo, a la vez que aumentan la inversión en la etapa de empaquetado. Podrían pensar: "¿Sería una opción más rentable lograr el rendimiento requerido de esta manera, en lugar de intentar completar todas las funciones en un chip más grande?". Así que, sí, las empresas automotrices de alta gama definitivamente están prestando atención a la tecnología de chips pequeños. Las empresas líderes del sector están monitoreando esto de cerca. En comparación con el campo de la computación, la industria automotriz probablemente lleva entre 2 y 4 años de retraso en la aplicación de la tecnología de chips pequeños, pero la tendencia hacia su aplicación en el sector automotriz es clara. La industria automotriz exige una fiabilidad extremadamente alta, por lo que la fiabilidad de la tecnología de microchips pequeños debe demostrarse. Sin embargo, su aplicación a gran escala en el sector automotriz está en camino.
Chen: No he notado ningún obstáculo significativo. Creo que se trata más bien de la necesidad de aprender y comprender a fondo los requisitos de certificación pertinentes. Esto se remonta al ámbito de la metrología. ¿Cómo fabricamos paquetes que cumplan con los rigurosos estándares automotrices? Pero es cierto que la tecnología pertinente evoluciona constantemente.
Dadas las numerosas cuestiones térmicas y complejidades asociadas a los componentes multimatriz, ¿habrá nuevos perfiles de pruebas de esfuerzo o diferentes tipos de pruebas? ¿Pueden las normas JEDEC actuales abarcar estos sistemas integrados?
Chen: Creo que necesitamos desarrollar métodos de diagnóstico más completos para identificar claramente el origen de las fallas. Hemos debatido la combinación de la metrología con el diagnóstico, y tenemos la responsabilidad de determinar cómo construir paquetes más robustos, utilizar materiales y procesos de mayor calidad, y validarlos.
Kelly: Actualmente, estamos realizando estudios de caso con clientes que han aprendido algo de las pruebas a nivel de sistema, especialmente las pruebas de impacto de temperatura en pruebas de placas funcionales, algo que no se contempla en las pruebas JEDEC. Las pruebas JEDEC son simplemente pruebas isotérmicas que implican "subida, bajada y transición de temperatura". Sin embargo, la distribución de temperatura en los encapsulados reales dista mucho de lo que ocurre en el mundo real. Cada vez más clientes desean realizar pruebas a nivel de sistema de forma temprana porque comprenden esta situación, aunque no todos sean conscientes de ella. La tecnología de simulación también juega un papel importante en este sentido. Si se tiene experiencia en simulación de combinación termomecánica, el análisis de problemas se vuelve más fácil porque se sabe en qué aspectos centrarse durante las pruebas. Las pruebas a nivel de sistema y la tecnología de simulación se complementan. Sin embargo, esta tendencia aún se encuentra en sus primeras etapas.
¿Hay más problemas térmicos que abordar en los nodos de tecnología madura que en el pasado?
Otte: Sí, pero en los últimos años, los problemas de coplanaridad se han vuelto cada vez más evidentes. Observamos entre 5000 y 10 000 pilares de cobre en un chip, con una separación de entre 50 y 127 micras. Si examinamos con atención los datos relevantes, descubriremos que colocar estos pilares de cobre en el sustrato y realizar operaciones de calentamiento, enfriamiento y soldadura por reflujo requiere una precisión de coplanaridad de aproximadamente una parte entre cien mil. Una precisión de una parte entre cien mil es como encontrar una brizna de hierba en la longitud de un campo de fútbol. Hemos adquirido herramientas Keyence de alto rendimiento para medir la planitud del chip y del sustrato. Por supuesto, la pregunta que surge es cómo controlar este fenómeno de deformación durante el ciclo de soldadura por reflujo. Este es un problema urgente que debe abordarse.
Chen: Recuerdo discusiones sobre Ponte Vecchio, donde usaban soldadura de baja temperatura por consideraciones de ensamblaje en lugar de razones de rendimiento.
Dado que todos los circuitos cercanos todavía tienen problemas térmicos, ¿cómo debería integrarse la fotónica en esto?
Roosendaal: Es necesario realizar una simulación térmica en todos los aspectos, y la extracción de alta frecuencia también es necesaria, ya que las señales entrantes son de alta frecuencia. Por lo tanto, es necesario abordar cuestiones como la adaptación de impedancia y una conexión a tierra adecuada. Puede haber gradientes de temperatura significativos, que pueden existir dentro del propio molde o entre lo que llamamos el molde "E" (molde eléctrico) y el molde "P" (molde fotónico). Me gustaría saber si es necesario profundizar en las características térmicas de los adhesivos.
Esto genera debate sobre los materiales de unión, su selección y su estabilidad a lo largo del tiempo. Es evidente que la tecnología de unión híbrida se ha aplicado en la práctica, pero aún no se ha utilizado en la producción en masa. ¿Cuál es el estado actual de esta tecnología?
Kelly: Todos los actores de la cadena de suministro están prestando atención a la tecnología de unión híbrida. Actualmente, esta tecnología está liderada principalmente por fundiciones, pero las empresas de ensamblaje y prueba de semiconductores subcontratados (OSAT) también están estudiando seriamente sus aplicaciones comerciales. Los componentes clásicos de unión dieléctrica híbrida de cobre se han sometido a una validación a largo plazo. Si se puede controlar la limpieza, este proceso puede producir componentes muy robustos. Sin embargo, presenta requisitos de limpieza extremadamente altos y los costos de capital son muy elevados. Experimentamos los primeros intentos de aplicación en la línea de productos Ryzen de AMD, donde la mayor parte de la SRAM utilizaba tecnología de unión híbrida de cobre. Sin embargo, no he visto a muchos otros clientes aplicando esta tecnología. Aunque está en las hojas de ruta tecnológicas de muchas empresas, parece que los conjuntos de equipos relacionados tardarán algunos años más en cumplir con los requisitos de limpieza independientes. Si se puede aplicar en un entorno de fábrica con un nivel de limpieza ligeramente inferior al de una fábrica de obleas típica, y si se logran menores costos, quizás esta tecnología reciba más atención.
Chen: Según mis estadísticas, se presentarán al menos 37 artículos sobre unión híbrida en la conferencia ECTC de 2024. Este proceso requiere mucha experiencia e implica una cantidad considerable de operaciones de precisión durante el ensamblaje. Por lo tanto, esta tecnología sin duda tendrá una aplicación generalizada. Ya existen algunos casos de aplicación, pero en el futuro se generalizará en diversos campos.
Cuando usted habla de “buenas operaciones”, ¿se refiere a la necesidad de una importante inversión financiera?
Chen: Por supuesto, implica tiempo y experiencia. Realizar esta operación requiere un entorno muy limpio, lo que implica inversión financiera. También requiere equipo relacionado, que a su vez requiere financiación. Por lo tanto, esto implica no solo costos operativos, sino también inversión en instalaciones.
Kelly: En casos con un espaciado de 15 micras o mayor, existe un gran interés en utilizar la tecnología de oblea a oblea con pilares de cobre. Idealmente, las obleas son planas y los chips no son muy grandes, lo que permite un reflujo de alta calidad para algunos de estos espaciamientos. Si bien esto presenta algunos desafíos, es mucho menos costoso que optar por la tecnología de unión híbrida de cobre. Sin embargo, si el requisito de precisión es de 10 micras o menos, la situación cambia. Las empresas que utilizan la tecnología de apilamiento de chips lograrán espaciamientos de un solo dígito en micras, como 4 o 5 micras, y no hay alternativa. Por lo tanto, la tecnología pertinente se desarrollará inevitablemente. No obstante, las tecnologías existentes también están en constante mejora. Por lo tanto, ahora nos centramos en los límites de la extensión de los pilares de cobre y en si esta tecnología durará lo suficiente como para que los clientes retrasen todas las inversiones en diseño y desarrollo de "calificación" en tecnología de unión híbrida de cobre real.
Chen: Sólo adoptaremos tecnologías relevantes cuando haya demanda.
¿Hay muchos desarrollos nuevos en el campo de los compuestos de moldeo epoxi actualmente?
Kelly: Los compuestos de moldeo han experimentado cambios significativos. Su CTE (coeficiente de expansión térmica) se ha reducido considerablemente, lo que los hace más favorables para aplicaciones relevantes desde el punto de vista de la presión.
Otte: Volviendo a nuestra discusión anterior, ¿cuántos chips semiconductores se fabrican actualmente con un espaciado de 1 o 2 micrones?
Kelly: Una proporción significativa.
Chen: Probablemente menos del 1%.
Otte: La tecnología que estamos analizando no es de uso generalizado. No se encuentra en fase de investigación, ya que empresas líderes la están aplicando, pero es costosa y de bajo rendimiento.
Kelly: Esto se aplica principalmente en la informática de alto rendimiento. Actualmente, se utiliza no solo en centros de datos, sino también en ordenadores de gama alta e incluso en algunos dispositivos portátiles. Aunque estos dispositivos son relativamente pequeños, siguen ofreciendo un alto rendimiento. Sin embargo, en el contexto más amplio de procesadores y aplicaciones CMOS, su proporción sigue siendo relativamente baja. Para los fabricantes de chips convencionales, no es necesario adoptar esta tecnología.
Otte: Por eso sorprende la entrada de esta tecnología en la industria automotriz. Los automóviles no necesitan chips extremadamente pequeños. Pueden mantenerse en procesos de 20 o 40 nanómetros, ya que el coste por transistor en semiconductores es el más bajo en este proceso.
Kelly: Sin embargo, los requisitos computacionales para los ADAS o la conducción autónoma son los mismos que para las computadoras con IA o dispositivos similares. Por lo tanto, la industria automotriz necesita invertir en estas tecnologías de vanguardia.
Si el ciclo del producto es de cinco años, ¿podría la adopción de nuevas tecnologías extender la ventaja por otros cinco años?
Kelly: Ese es un punto muy razonable. La industria automotriz tiene otra perspectiva. Consideremos los servocontroladores simples o dispositivos analógicos relativamente simples que existen desde hace 20 años y son muy económicos. Utilizan chips pequeños. Los usuarios de la industria automotriz desean seguir utilizando estos productos. Solo desean invertir en dispositivos informáticos de alta gama con chips digitales pequeños y posiblemente combinarlos con chips analógicos, memoria flash y chips de radiofrecuencia de bajo costo. Para ellos, el modelo de chip pequeño tiene mucho sentido porque pueden conservar muchas piezas antiguas, estables y de bajo costo. No quieren ni necesitan cambiar estas piezas. Luego, solo necesitan agregar un chip pequeño de alta gama de 5 o 3 nanómetros para cumplir con las funciones de la parte ADAS. De hecho, están aplicando varios tipos de chips pequeños en un solo producto. A diferencia de los campos de la informática y las computadoras, la industria automotriz tiene una gama de aplicaciones más diversa.
Chen: Además, estos chips no tienen que instalarse junto al motor, por lo que las condiciones ambientales son relativamente mejores.
Kelly: La temperatura ambiente en los coches es bastante alta. Por lo tanto, aunque la potencia del chip no sea especialmente alta, la industria automotriz debe invertir en buenas soluciones de gestión térmica e incluso podría considerar el uso de materiales de interfaz térmica (TIM) de indio, ya que las condiciones ambientales son muy adversas.
Hora de publicación: 28 de abril de 2025