A industria dos chips para automóbiles está a experimentar cambios
Recentemente, o equipo de enxeñaría de semicondutores falou sobre chips pequenos, unións híbridas e novos materiais con Michael Kelly, vicepresidente da integración de chips pequenos e FCBGA de Amkor. Tamén participaron no debate o investigador de ASE William Chen, o CEO de Promex Industries, Dick Otte, e Sander Roosendaal, director de I+D de Synopsys Photonics Solutions. A continuación, móstranse extractos deste debate.
Durante moitos anos, o desenvolvemento de chips para automóbiles non ocupou unha posición de liderado na industria. Non obstante, co auxe dos vehículos eléctricos e o desenvolvemento de sistemas avanzados de información e entretemento, esta situación cambiou drasticamente. Que problemas observaches?
Kelly: Os sistemas avanzados de asistencia á condución (ADAS) de gama alta requiren procesadores cun proceso de 5 nanómetros ou menor para ser competitivos no mercado. Unha vez que se entra no proceso de 5 nanómetros, hai que ter en conta os custos das obleas, o que leva a considerar coidadosamente as solucións de chips pequenos, xa que é difícil fabricar chips grandes no proceso de 5 nanómetros. Ademais, o rendemento é baixo, o que resulta en custos extremadamente altos. Cando se trata de procesos de 5 nanómetros ou máis avanzados, os clientes normalmente consideran seleccionar unha parte do chip de 5 nanómetros en lugar de usar o chip completo, ao tempo que aumentan o investimento na fase de empaquetado. Poden pensar: "Sería unha opción máis rendible lograr o rendemento requirido deste xeito, en lugar de intentar completar todas as funcións nun chip máis grande?". Entón, si, as empresas de automoción de gama alta definitivamente están prestando atención á tecnoloxía de chips pequenos. As empresas líderes da industria están a vixiar isto de preto. En comparación co campo da informática, a industria da automoción probablemente leva entre 2 e 4 anos de atraso na aplicación da tecnoloxía de chips pequenos, pero a tendencia para a súa aplicación no sector da automoción é clara. A industria automobilística ten uns requisitos de fiabilidade extremadamente altos, polo que a fiabilidade da tecnoloxía de chips pequenos debe ser demostrada. Non obstante, a aplicación a grande escala da tecnoloxía de chips pequenos no campo da automoción está certamente en camiño.
Chen: Non notei ningún obstáculo significativo. Creo que se trata máis ben de aprender e comprender en profundidade os requisitos de certificación pertinentes. Isto remóntase ao nivel da metroloxía. Como fabricamos envases que cumpran cos estándares extremadamente estritos da automoción? Pero é certo que a tecnoloxía relevante está en continua evolución.
Dados os moitos problemas térmicos e complexidades asociados cos compoñentes multi-die, haberá novos perfís de probas de resistencia ou diferentes tipos de probas? Poderán os estándares JEDEC actuais abarcar estes sistemas integrados?
Chen: Creo que precisamos desenvolver métodos de diagnóstico máis completos para identificar claramente a orixe dos fallos. Falamos da combinación da metroloxía co diagnóstico e temos a responsabilidade de descubrir como construír envases máis robustos, usar materiais e procesos de maior calidade e validalos.
Kelly: Hoxe en día, estamos a realizar estudos de caso con clientes que aprenderon algo das probas a nivel de sistema, especialmente das probas de impacto da temperatura nas probas funcionais das placas, que non se inclúen nas probas JEDEC. As probas JEDEC son simplemente probas isotérmicas, que implican "aumento, descenso e transición de temperatura". Non obstante, a distribución da temperatura nos paquetes reais está lonxe do que ocorre no mundo real. Cada vez máis clientes queren realizar probas a nivel de sistema cedo porque entenden esta situación, aínda que non todos son conscientes diso. A tecnoloxía de simulación tamén xoga un papel aquí. Se alguén ten experiencia na simulación combinada termo-mecánica, analizar problemas faise máis doado porque sabe en que aspectos centrarse durante as probas. As probas a nivel de sistema e a tecnoloxía de simulación compleméntanse. Non obstante, esta tendencia aínda está nas súas primeiras etapas.
Hai máis problemas térmicos que abordar nos nodos tecnolóxicos maduros que no pasado?
Otte: Si, pero nos últimos dous anos, os problemas de coplanaridade fixéronse cada vez máis prominentes. Vemos de 5.000 a 10.000 piares de cobre nun chip, separados entre 50 micras e 127 micras. Se examinamos detidamente os datos relevantes, veremos que colocar estes piares de cobre no substrato e realizar operacións de quecemento, arrefriamento e soldadura por refluxo require alcanzar unha precisión de coplanaridade de aproximadamente unha parte en cen mil. Unha precisión dunha parte en cen mil é como atopar unha folla de herba dentro da lonxitude dun campo de fútbol. Compramos algunhas ferramentas Keyence de alto rendemento para medir a planaridade do chip e do substrato. Por suposto, a pregunta que se produce é como controlar este fenómeno de deformación durante o ciclo de soldadura por refluxo? Este é un problema urxente que debe abordarse.
Chen: Lembro as conversas sobre o Ponte Vecchio, onde empregaban soldadura a baixa temperatura por consideracións de montaxe en lugar de por razóns de rendemento.
Dado que todos os circuítos próximos aínda teñen problemas térmicos, como se debería integrar a fotónica nisto?
Roosendaal: É necesario realizar unha simulación térmica en todos os aspectos, e tamén é necesaria a extracción de alta frecuencia porque os sinais que entran son sinais de alta frecuencia. Polo tanto, é necesario abordar cuestións como a adaptación de impedancias e a conexión a terra axeitada. Pode haber gradientes de temperatura significativos, que poden existir dentro do propio chip ou entre o que chamamos chip "E" (chip eléctrico) e chip "P" (chip de fotóns). Teño curiosidade por saber se precisamos afondar nas características térmicas dos adhesivos.
Isto suscita debates sobre os materiais de unión, a súa selección e a súa estabilidade ao longo do tempo. É evidente que a tecnoloxía de unión híbrida aplicouse no mundo real, pero aínda non se empregou para a produción en masa. Cal é o estado actual desta tecnoloxía?
Kelly: Todas as partes da cadea de subministración están a prestar atención á tecnoloxía de unión híbrida. Actualmente, esta tecnoloxía está liderada principalmente por fundicións, pero as empresas OSAT (Externalización de Ensamblaxe e Proba de Semicondutores) tamén están a estudar seriamente as súas aplicacións comerciais. Os compoñentes clásicos de unión dieléctrica híbrida de cobre foron sometidos a unha validación a longo prazo. Se se pode controlar a limpeza, este proceso pode producir compoñentes moi robustos. Non obstante, ten requisitos de limpeza extremadamente altos e os custos de equipamento son moi elevados. Experimentamos os primeiros intentos de aplicación na liña de produtos Ryzen de AMD, onde a maior parte da SRAM usaba tecnoloxía de unión híbrida de cobre. Non obstante, non vin moitos outros clientes aplicando esta tecnoloxía. Aínda que está nas follas de ruta tecnolóxicas de moitas empresas, parece que levará uns anos máis para que os conxuntos de equipos relacionados cumpran os requisitos de limpeza independentes. Se se pode aplicar nun ambiente de fábrica cunha limpeza lixeiramente inferior á dunha fábrica de obleas típica e se se poden conseguir custos máis baixos, entón quizais esta tecnoloxía reciba máis atención.
Chen: Segundo as miñas estatísticas, presentaranse polo menos 37 artigos sobre unión híbrida na conferencia ECTC de 2024. Este é un proceso que require moita experiencia e implica unha cantidade significativa de operacións finas durante a montaxe. Polo tanto, esta tecnoloxía terá definitivamente unha aplicación xeneralizada. Xa hai algúns casos de aplicación, pero no futuro, farase máis frecuente en varios campos.
Cando mencionas "operacións finais", estás a referirte á necesidade dun investimento financeiro significativo?
Chen: Por suposto, implica tempo e coñecementos especializados. Realizar esta operación require un ambiente moi limpo, o que require investimento financeiro. Tamén require equipamento relacionado, que do mesmo xeito require financiamento. Polo tanto, isto implica non só custos operativos, senón tamén investimento en instalacións.
Kelly: En casos cun espazado de 15 micras ou maior, existe un interese significativo en empregar a tecnoloxía de oblea a oblea de piares de cobre. Idealmente, as obleas son planas e os tamaños dos chips non son moi grandes, o que permite unha reflución de alta calidade para algúns destes espazados. Aínda que isto presenta algúns desafíos, é moito menos custoso que optar pola tecnoloxía de unión híbrida de cobre. Non obstante, se o requisito de precisión é de 10 micras ou inferior, a situación cambia. As empresas que empregan a tecnoloxía de apilamento de chips acadarán espazados de micras dun só díxito, como 4 ou 5 micras, e non hai alternativa. Polo tanto, a tecnoloxía relevante desenvolverase inevitablemente. Non obstante, as tecnoloxías existentes tamén están a mellorar continuamente. Polo tanto, agora estamos a centrarnos nos límites aos que se poden estender os piares de cobre e se esta tecnoloxía durará o suficiente para que os clientes atrasen todos os investimentos en desenvolvemento de deseño e "cualificación" en tecnoloxía de unión híbrida de cobre verdadeira.
Chen: Só adoptaremos tecnoloxías relevantes cando haxa demanda.
Hai moitos desenvolvementos novos no campo dos compostos de moldeo epoxi actualmente?
Kelly: Os compostos de moldeo sufriron cambios significativos. O seu CTE (coeficiente de expansión térmica) reduciuse considerablemente, o que os fai máis favorables para aplicacións relevantes desde o punto de vista da presión.
Otte: Voltando á nosa conversa anterior, cantos chips semicondutores se fabrican actualmente cun espazado de 1 ou 2 micras?
Kelly: Unha proporción significativa.
Chen: Probablemente menos do 1 %.
Otte: Entón, a tecnoloxía da que estamos a falar non é convencional. Non está en fase de investigación, xa que as empresas líderes están a aplicar esta tecnoloxía, pero é custosa e ten baixos rendementos.
Kelly: Isto aplícase principalmente na computación de alto rendemento. Hoxe en día, non só se usa en centros de datos, senón tamén en ordenadores de gama alta e mesmo nalgúns dispositivos portátiles. Aínda que estes dispositivos son relativamente pequenos, seguen tendo un alto rendemento. Non obstante, no contexto máis amplo dos procesadores e as aplicacións CMOS, a súa proporción segue sendo relativamente pequena. Para os fabricantes de chips ordinarios, non hai necesidade de adoptar esta tecnoloxía.
Otte: Por iso é sorprendente ver esta tecnoloxía entrando na industria do automóbil. Os coches non precisan chips extremadamente pequenos. Poden permanecer en procesos de 20 ou 40 nanómetros, xa que o custo por transistor en semicondutores é o máis baixo neste proceso.
Kelly: Non obstante, os requisitos computacionais para os sistemas de asistencia en vehículos (ADAS) ou a condución autónoma son os mesmos que os dos ordenadores con IA ou dispositivos similares. Polo tanto, a industria do automóbil precisa investir nestas tecnoloxías de vangarda.
Se o ciclo do produto é de cinco anos, podería a adopción de novas tecnoloxías ampliar a vantaxe durante outros cinco anos?
Kelly: É un punto moi razoable. A industria do automóbil ten outro punto de vista. Consideremos os servocontroladores simples ou os dispositivos analóxicos relativamente simples que existen desde hai 20 anos e son moi baixos. Usan chips pequenos. A xente da industria do automóbil quere seguir usando estes produtos. Só queren investir en dispositivos informáticos de gama moi alta con chips dixitais pequenos e posiblemente combinalos con chips analóxicos de baixo custo, memoria flash e chips RF. Para eles, o modelo de chip pequeno ten moito sentido porque poden conservar moitas pezas de xeración antiga, estables e de baixo custo. Non queren cambiar estas pezas nin necesitan facelo. Entón, só precisan engadir un chip pequeno de gama alta de 5 nanómetros ou 3 nanómetros para cumprir as funcións da parte ADAS. De feito, están a aplicar varios tipos de chips pequenos nun só produto. A diferenza dos campos dos PC e a informática, a industria do automóbil ten unha gama de aplicacións máis diversa.
Chen: Ademais, estes chips non teñen que instalarse xunto ao motor, polo que as condicións ambientais son relativamente mellores.
Kelly: A temperatura ambiente nos coches é bastante alta. Polo tanto, mesmo que a potencia do chip non sexa particularmente alta, a industria do automóbil debe investir algúns fondos en boas solucións de xestión térmica e mesmo pode considerar o uso de TIM (materiais de interface térmica) de indio porque as condicións ambientais son moi duras.
Data de publicación: 28 de abril de 2025