ข่าวอุตสาหกรรม: แนวโน้มเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง

บรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ได้พัฒนาจากการออกแบบ PCB 1D แบบดั้งเดิมไปสู่การเชื่อมไฮบริด 3D ที่ล้ำสมัยในระดับเวเฟอร์ ความก้าวหน้านี้ช่วยให้มีระยะห่างในการเชื่อมต่อระหว่างกันในช่วงไมครอนหลักเดียว โดยมีแบนด์วิธสูงถึง 1,000 GB/s ในขณะที่ยังคงรักษาประสิทธิภาพการใช้พลังงานในระดับสูง แกนหลักของเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูงคือบรรจุภัณฑ์ 2.5D (โดยที่ส่วนประกอบวางเรียงกันบนชั้นตัวกลาง) และบรรจุภัณฑ์ 3D (ซึ่งเกี่ยวข้องกับการซ้อนชิปที่ใช้งานอยู่ในแนวตั้ง) เทคโนโลยีเหล่านี้มีความสำคัญต่ออนาคตของระบบ HPC

เทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ 2.5D เกี่ยวข้องกับวัสดุชั้นกลางต่างๆ ซึ่งแต่ละชั้นก็มีข้อดีและข้อเสียของตัวเอง ชั้นตัวกลางซิลิคอน (Si) รวมถึงเวเฟอร์ซิลิคอนแบบพาสซีฟเต็มรูปแบบและบริดจ์ซิลิคอนเฉพาะที่ เป็นที่รู้จักในด้านความสามารถในการเดินสายที่ดีที่สุด ทำให้เหมาะสำหรับการประมวลผลที่มีประสิทธิภาพสูง อย่างไรก็ตาม สิ่งเหล่านี้มีราคาแพงในแง่ของวัสดุและการผลิต และเผชิญกับข้อจำกัดในด้านบรรจุภัณฑ์ เพื่อบรรเทาปัญหาเหล่านี้ การใช้ซิลิคอนบริดจ์ที่มีการแปลเป็นภาษาท้องถิ่นจึงเพิ่มมากขึ้น โดยใช้ซิลิคอนอย่างมีกลยุทธ์ โดยที่การทำงานที่ดีเป็นสิ่งสำคัญ ในขณะเดียวกันก็จัดการกับข้อจำกัดของพื้นที่ด้วย

ชั้นตัวกลางอินทรีย์ที่ใช้พลาสติกขึ้นรูปแบบพัดออกเป็นทางเลือกที่คุ้มค่ากว่าแทนซิลิคอน มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำกว่า ซึ่งช่วยลดความล่าช้า RC ในบรรจุภัณฑ์ แม้จะมีข้อได้เปรียบเหล่านี้ แต่เลเยอร์ตัวกลางออร์แกนิกก็พยายามดิ้นรนเพื่อให้บรรลุการลดคุณสมบัติการเชื่อมต่อระหว่างกันในระดับเดียวกับบรรจุภัณฑ์ที่ใช้ซิลิกอน ซึ่งจำกัดการใช้งานในแอปพลิเคชันคอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูง

ชั้นตัวกลางที่เป็นแก้วได้รับความสนใจอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งหลังจากการเปิดตัวบรรจุภัณฑ์สำหรับยานยนต์ทดสอบที่ใช้แก้วเมื่อเร็วๆ นี้ของ Intel แก้วมีข้อดีหลายประการ เช่น ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อน (CTE) ที่ปรับได้ ความเสถียรของมิติสูง พื้นผิวเรียบและเรียบ และความสามารถในการรองรับการผลิตแผง ทำให้เป็นตัวเลือกที่มีแนวโน้มสำหรับชั้นตัวกลางที่มีความสามารถในการเดินสายไฟเทียบได้กับซิลิคอน อย่างไรก็ตาม นอกเหนือจากความท้าทายทางเทคนิคแล้ว ข้อเสียเปรียบหลักของชั้นตัวกลางที่เป็นแก้วก็คือระบบนิเวศที่ยังไม่สมบูรณ์และในปัจจุบันยังขาดกำลังการผลิตขนาดใหญ่ เมื่อระบบนิเวศเติบโตเต็มที่และความสามารถในการผลิตดีขึ้น เทคโนโลยีที่ใช้แก้วในบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์อาจเห็นการเติบโตและการนำไปใช้เพิ่มเติม

ในแง่ของเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ 3 มิติ การเชื่อมแบบไฮบริด Cu-Cu แบบไม่มีรอยต่อกำลังกลายเป็นเทคโนโลยีนวัตกรรมชั้นนำ เทคนิคขั้นสูงนี้ทำให้เกิดการเชื่อมต่อแบบถาวรโดยการรวมวัสดุอิเล็กทริก (เช่น SiO2) เข้ากับโลหะที่ฝังอยู่ (Cu) พันธะลูกผสม Cu-Cu สามารถบรรลุระยะห่างต่ำกว่า 10 ไมครอน ซึ่งโดยทั่วไปจะอยู่ในช่วงไมครอนหลักเดียว ซึ่งแสดงถึงการปรับปรุงที่สำคัญกว่าเทคโนโลยี micro-bump แบบดั้งเดิม ซึ่งมีช่องว่างระหว่างการกระแทกประมาณ 40-50 ไมครอน ข้อดีของการเชื่อมแบบไฮบริด ได้แก่ I/O ที่เพิ่มขึ้น แบนด์วิธที่เพิ่มขึ้น การซ้อนแนวตั้ง 3D ที่ได้รับการปรับปรุง ประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่ดีขึ้น และลดผลกระทบจากปรสิตและการต้านทานความร้อนเนื่องจากไม่มีการอุดด้านล่าง อย่างไรก็ตามเทคโนโลยีนี้มีความซับซ้อนในการผลิตและมีต้นทุนสูงกว่า

เทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ 2.5D และ 3D ครอบคลุมเทคนิคการบรรจุภัณฑ์ที่หลากหลาย ในบรรจุภัณฑ์ 2.5D ขึ้นอยู่กับการเลือกวัสดุชั้นตัวกลาง มันสามารถแบ่งได้เป็นชั้นตัวกลางที่ใช้ซิลิคอน อินทรีย์ และแก้ว ดังแสดงในรูปด้านบน ในบรรจุภัณฑ์ 3 มิติ การพัฒนาเทคโนโลยี micro-bump มีเป้าหมายเพื่อลดขนาดระยะห่าง แต่ในปัจจุบัน ด้วยการใช้เทคโนโลยีการเชื่อมแบบไฮบริด (วิธีการเชื่อมต่อ Cu-Cu โดยตรง) จึงสามารถบรรลุขนาดระยะห่างหลักเดียวได้ ซึ่งถือเป็นความก้าวหน้าที่สำคัญในสาขานี้ .

**แนวโน้มเทคโนโลยีที่สำคัญที่น่าจับตามอง:**

1. **พื้นที่เลเยอร์ตัวกลางที่ใหญ่ขึ้น:** ก่อนหน้านี้ IDTechEx คาดการณ์ว่าเนื่องจากความยากลำบากของชั้นตัวกลางซิลิคอนที่เกินขีดจำกัดขนาดเรติเคิล 3 เท่า โซลูชันสะพานซิลิคอน 2.5D จะมาแทนที่ชั้นตัวกลางซิลิคอนเป็นตัวเลือกหลักสำหรับบรรจุภัณฑ์ชิป HPC ในเร็วๆ นี้ TSMC เป็นซัพพลายเออร์รายใหญ่ของเลเยอร์ตัวกลางซิลิคอน 2.5D สำหรับ NVIDIA และนักพัฒนา HPC ชั้นนำอื่นๆ เช่น Google และ Amazon และบริษัทเพิ่งประกาศการผลิตจำนวนมากของ CoWoS_L รุ่นแรกที่มีขนาดเรติเคิล 3.5 เท่า IDTechEx คาดว่าแนวโน้มนี้จะยังคงดำเนินต่อไป โดยมีการกล่าวถึงความก้าวหน้าเพิ่มเติมในรายงานซึ่งครอบคลุมผู้เล่นหลัก ๆ

2. **บรรจุภัณฑ์ระดับแผง:** บรรจุภัณฑ์ระดับแผงกลายเป็นจุดสนใจที่สำคัญ ดังที่ไฮไลต์ในงานนิทรรศการ Taiwan International Semiconductor Exhibition ปี 2024 วิธีการบรรจุหีบห่อนี้ช่วยให้สามารถใช้ชั้นตัวกลางที่ใหญ่ขึ้นได้ และช่วยลดต้นทุนด้วยการผลิตบรรจุภัณฑ์จำนวนมากขึ้นพร้อมกัน แม้ว่าจะมีศักยภาพ แต่ความท้าทายต่างๆ เช่น การจัดการการบิดงอยังคงต้องได้รับการแก้ไข ความโดดเด่นที่เพิ่มขึ้นสะท้อนให้เห็นถึงความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับชั้นตัวกลางที่ใหญ่ขึ้นและคุ้มต้นทุนมากขึ้น

3. **ชั้นตัวกลางแก้ว:** แก้วกำลังกลายเป็นวัสดุที่มีศักยภาพในการเดินสายไฟที่ละเอียด เทียบได้กับซิลิคอน โดยมีข้อดีเพิ่มเติม เช่น CTE ที่ปรับได้และความน่าเชื่อถือที่สูงกว่า ชั้นตัวกลางที่เป็นแก้วยังเข้ากันได้กับบรรจุภัณฑ์ระดับแผง ซึ่งมีศักยภาพในการเดินสายที่มีความหนาแน่นสูงด้วยต้นทุนที่สามารถจัดการได้มากขึ้น ทำให้เป็นโซลูชั่นที่มีแนวโน้มสำหรับเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ในอนาคต

4. **พันธะไฮบริด HBM:** พันธะไฮบริด 3 มิติทองแดง-ทองแดง (Cu-Cu) เป็นเทคโนโลยีสำคัญสำหรับการเชื่อมต่อระหว่างชิปในแนวตั้งที่มีระยะพิทช์ละเอียดเป็นพิเศษ เทคโนโลยีนี้ถูกนำมาใช้ในผลิตภัณฑ์เซิร์ฟเวอร์ระดับไฮเอนด์ต่างๆ รวมถึง AMD EPYC สำหรับ Stacked SRAM และ CPUs เช่นเดียวกับ MI300 Series สำหรับการซ้อนบล็อก CPU/GPU บน I/O Die การเชื่อมแบบไฮบริดคาดว่าจะมีบทบาทสำคัญในความก้าวหน้าของ HBM ในอนาคต โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับสแต็ค DRAM ที่เกินชั้น 16-Hi หรือ 20-Hi

5. **อุปกรณ์ออปติคัลแบบบรรจุภัณฑ์ร่วม (CPO):** ด้วยความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับปริมาณการรับส่งข้อมูลที่สูงขึ้นและประสิทธิภาพการใช้พลังงาน เทคโนโลยีการเชื่อมต่อระหว่างกันแบบออปติกจึงได้รับความสนใจอย่างมาก อุปกรณ์ออพติคอลบรรจุภัณฑ์ร่วม (CPO) กำลังกลายเป็นโซลูชันหลักในการเพิ่มแบนด์วิดท์ I/O และลดการใช้พลังงาน เมื่อเปรียบเทียบกับการส่งผ่านไฟฟ้าแบบดั้งเดิม การสื่อสารด้วยแสงมีข้อดีหลายประการ รวมถึงการลดทอนสัญญาณที่ต่ำกว่าในระยะทางไกล ลดความไวของ crosstalk และแบนด์วิธที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก ข้อดีเหล่านี้ทำให้ CPO เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุดสำหรับระบบ HPC ที่ใช้ข้อมูลเข้มข้นและประหยัดพลังงาน

**ตลาดสำคัญที่น่าจับตามอง:**

ตลาดหลักที่ขับเคลื่อนการพัฒนาเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ 2.5D และ 3D นั้นเป็นตลาดการประมวลผลประสิทธิภาพสูง (HPC) อย่างไม่ต้องสงสัย วิธีการบรรจุขั้นสูงเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการเอาชนะข้อจำกัดของกฎของมัวร์ โดยทำให้มีทรานซิสเตอร์ หน่วยความจำ และการเชื่อมต่อภายในแพ็คเกจเดียวได้มากขึ้น การสลายตัวของชิปยังช่วยให้สามารถใช้ประโยชน์จากโหนดกระบวนการระหว่างบล็อกการทำงานต่างๆ ได้อย่างเหมาะสมที่สุด เช่น การแยกบล็อก I/O ออกจากบล็อกการประมวลผล เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพให้ดียิ่งขึ้น

นอกเหนือจากการประมวลผลประสิทธิภาพสูง (HPC) แล้ว ตลาดอื่นๆ ยังคาดว่าจะเติบโตผ่านการนำเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงมาใช้ ในภาค 5G และ 6G นวัตกรรมต่างๆ เช่น เสาอากาศบรรจุภัณฑ์และโซลูชันชิปที่ล้ำสมัยจะกำหนดอนาคตของสถาปัตยกรรมเครือข่ายการเข้าถึงไร้สาย (RAN) ยานพาหนะขับเคลื่อนอัตโนมัติจะได้รับประโยชน์เช่นกัน เนื่องจากเทคโนโลยีเหล่านี้สนับสนุนการบูรณาการชุดเซ็นเซอร์และหน่วยประมวลผลเพื่อประมวลผลข้อมูลจำนวนมาก ในขณะเดียวกันก็รับประกันความปลอดภัย ความน่าเชื่อถือ ความกะทัดรัด การจัดการพลังงานและความร้อน และความคุ้มค่า

เครื่องใช้ไฟฟ้า (รวมถึงสมาร์ทโฟน นาฬิกาอัจฉริยะ อุปกรณ์ AR/VR พีซี และเวิร์กสเตชัน) ให้ความสำคัญกับการประมวลผลข้อมูลมากขึ้นในพื้นที่ขนาดเล็ก แม้ว่าจะเน้นเรื่องต้นทุนมากขึ้นก็ตาม บรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูงจะมีบทบาทสำคัญในแนวโน้มนี้ แม้ว่าวิธีการบรรจุอาจแตกต่างไปจากที่ใช้ใน HPC