ข่าวสารอุตสาหกรรม: แนวโน้มเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง

บรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ได้พัฒนาจากการออกแบบ PCB แบบ 1D แบบดั้งเดิมไปเป็นการเชื่อมไฮบริด 3D ที่ล้ำสมัยในระดับเวเฟอร์ ความก้าวหน้านี้ทำให้มีระยะห่างระหว่างคอนเนคต์ในช่วงไมครอนหลักเดียว โดยมีแบนด์วิดท์สูงถึง 1,000 GB/วินาที ในขณะที่ยังคงรักษาประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูงไว้ได้ เทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูงมีแกนหลักคือ บรรจุภัณฑ์ 2.5D (ซึ่งส่วนประกอบต่างๆ จะถูกวางเคียงข้างกันบนชั้นกลาง) และบรรจุภัณฑ์ 3D (ซึ่งเกี่ยวข้องกับการซ้อนชิปที่ทำงานอยู่ในแนวตั้ง) เทคโนโลยีเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่ออนาคตของระบบ HPC

เทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์แบบ 2.5D เกี่ยวข้องกับวัสดุชั้นกลางต่างๆ ซึ่งแต่ละชั้นมีข้อดีและข้อเสียที่แตกต่างกัน ชั้นกลางซิลิกอน (Si) รวมถึงเวเฟอร์ซิลิกอนแบบพาสซีฟทั้งหมดและบริดจ์ซิลิกอนเฉพาะที่ ขึ้นชื่อในด้านความสามารถในการเดินสายที่ดีที่สุด ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการประมวลผลประสิทธิภาพสูง อย่างไรก็ตาม พวกมันมีราคาแพงในแง่ของวัสดุและการผลิต และเผชิญกับข้อจำกัดในพื้นที่บรรจุภัณฑ์ เพื่อบรรเทาปัญหาเหล่านี้ การใช้บริดจ์ซิลิกอนเฉพาะที่เพิ่มมากขึ้น โดยใช้ซิลิกอนอย่างมีกลยุทธ์ในกรณีที่ฟังก์ชันการทำงานที่ดีมีความสำคัญในขณะที่แก้ไขข้อจำกัดในพื้นที่

ชั้นกลางอินทรีย์ที่ใช้พลาสติกขึ้นรูปแบบพัดเอาต์เป็นทางเลือกที่คุ้มต้นทุนกว่าซิลิกอน ชั้นกลางอินทรีย์มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกที่ต่ำกว่า ซึ่งช่วยลดความล่าช้าของ RC ในบรรจุภัณฑ์ แม้จะมีข้อได้เปรียบเหล่านี้ แต่ชั้นกลางอินทรีย์ก็ประสบปัญหาในการลดคุณสมบัติการเชื่อมต่อในระดับเดียวกับบรรจุภัณฑ์ที่ใช้ซิลิกอน ทำให้การนำไปใช้ในแอปพลิเคชันการประมวลผลประสิทธิภาพสูงมีข้อจำกัด

ชั้นกลางกระจกได้รับความสนใจอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งหลังจากที่ Intel เปิดตัวบรรจุภัณฑ์ยานยนต์ทดสอบที่ใช้กระจกเมื่อไม่นานนี้ กระจกมีข้อดีหลายประการ เช่น ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน (CTE) ที่ปรับได้ ความเสถียรของมิติสูง พื้นผิวเรียบและแบน และความสามารถในการรองรับการผลิตแผง ทำให้กระจกเป็นตัวเลือกที่มีแนวโน้มดีสำหรับชั้นกลางที่มีความสามารถในการเดินสายเทียบได้กับซิลิกอน อย่างไรก็ตาม นอกเหนือจากความท้าทายทางเทคนิคแล้ว ข้อเสียเปรียบหลักของชั้นกลางกระจกคือระบบนิเวศที่ยังไม่พัฒนาเต็มที่และกำลังการผลิตขนาดใหญ่ในปัจจุบันที่ไม่เพียงพอ เมื่อระบบนิเวศเติบโตเต็มที่และความสามารถในการผลิตดีขึ้น เทคโนโลยีที่ใช้กระจกในบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์อาจเติบโตและนำไปใช้ได้มากขึ้น

ในแง่ของเทคโนโลยีการบรรจุแบบ 3 มิติ การเชื่อมแบบไฮบริด Cu-Cu แบบไม่กระแทกกำลังกลายเป็นเทคโนโลยีนวัตกรรมชั้นนำ เทคนิคขั้นสูงนี้ทำให้เกิดการเชื่อมต่อแบบถาวรโดยการรวมวัสดุไดอิเล็กตริก (เช่น SiO2) กับโลหะฝัง (Cu) การเชื่อมแบบไฮบริด Cu-Cu สามารถทำให้เกิดระยะห่างต่ำกว่า 10 ไมครอน โดยทั่วไปอยู่ในช่วงไมครอนหลักเดียว ซึ่งถือเป็นการปรับปรุงที่สำคัญเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีไมโครบัมพ์แบบดั้งเดิม ซึ่งมีระยะห่างของบัมพ์ประมาณ 40-50 ไมครอน ข้อดีของการเชื่อมแบบไฮบริด ได้แก่ การเพิ่ม I/O แบนด์วิดท์ที่เพิ่มขึ้น การซ้อนแนวตั้ง 3 มิติที่ดีขึ้น ประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่ดีขึ้น และลดผลกระทบของปรสิตและความต้านทานความร้อนเนื่องจากไม่มีการเติมด้านล่าง อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีนี้มีความซับซ้อนในการผลิตและมีต้นทุนที่สูงกว่า

เทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์แบบ 2.5D และ 3D ครอบคลุมเทคนิคการบรรจุภัณฑ์ที่หลากหลาย ในการบรรจุภัณฑ์แบบ 2.5D นั้น สามารถแบ่งประเภทได้เป็นชั้นกลางที่ใช้ซิลิกอน ชั้นอินทรีย์ และชั้นกลางที่ใช้แก้ว ขึ้นอยู่กับการเลือกใช้วัสดุของชั้นกลาง ดังที่แสดงในภาพด้านบน ในการบรรจุภัณฑ์แบบ 3D การพัฒนาเทคโนโลยีไมโครบัมพ์มีเป้าหมายเพื่อลดระยะห่าง แต่ในปัจจุบัน ด้วยการนำเทคโนโลยีการเชื่อมแบบไฮบริด (วิธีการเชื่อม Cu-Cu โดยตรง) มาใช้ จึงสามารถบรรลุระยะห่างที่เป็นตัวเลขเดียว ซึ่งถือเป็นความก้าวหน้าที่สำคัญในสาขานี้

**แนวโน้มเทคโนโลยีสำคัญที่ต้องจับตามอง:**

1. **พื้นที่ชั้นกลางขนาดใหญ่กว่า:** IDTechEx คาดการณ์ไว้ก่อนหน้านี้ว่าเนื่องจากชั้นกลางซิลิกอนมีขนาดเกินกว่าขีดจำกัดของขนาดเรติเคิล 3 เท่า ทำให้โซลูชันบริดจ์ซิลิกอน 2.5D จะเข้ามาแทนที่ชั้นกลางซิลิกอนในไม่ช้านี้ในฐานะตัวเลือกหลักสำหรับการบรรจุชิป HPC TSMC เป็นซัพพลายเออร์ชั้นกลางซิลิกอน 2.5D รายใหญ่สำหรับ NVIDIA และผู้พัฒนา HPC ชั้นนำรายอื่นๆ เช่น Google และ Amazon และบริษัทเพิ่งประกาศการผลิต CoWoS_L รุ่นแรกจำนวนมากที่มีขนาดเรติเคิล 3.5 เท่า IDTechEx คาดว่าแนวโน้มนี้จะยังคงดำเนินต่อไป โดยมีการหารือเกี่ยวกับความก้าวหน้าเพิ่มเติมในรายงานที่ครอบคลุมผู้เล่นหลัก

2. **การบรรจุหีบห่อในระดับแผง:** การบรรจุหีบห่อในระดับแผงได้กลายเป็นจุดสนใจที่สำคัญ ดังที่เน้นย้ำในงาน Taiwan International Semiconductor Exhibition ประจำปี 2024 วิธีการบรรจุหีบห่อนี้ช่วยให้สามารถใช้เลเยอร์ตัวกลางขนาดใหญ่ขึ้นได้ และช่วยลดต้นทุนโดยการผลิตแพ็คเกจพร้อมกันได้มากขึ้น แม้จะมีศักยภาพ แต่ความท้าทาย เช่น การจัดการการบิดเบี้ยวก็ยังคงต้องได้รับการแก้ไข ความโดดเด่นที่เพิ่มขึ้นนี้สะท้อนให้เห็นถึงความต้องการเลเยอร์ตัวกลางขนาดใหญ่ขึ้นและคุ้มต้นทุนมากขึ้น

3. **ชั้นกลางกระจก:** กระจกกำลังก้าวขึ้นมาเป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติเหมาะสมสำหรับการสร้างสายไฟฟ้าที่มีความละเอียดเทียบเท่ากับซิลิกอน โดยมีข้อได้เปรียบเพิ่มเติม เช่น CTE ที่ปรับได้และความน่าเชื่อถือที่สูงขึ้น นอกจากนี้ ชั้นกลางกระจกยังเข้ากันได้กับบรรจุภัณฑ์ระดับแผง ซึ่งทำให้มีศักยภาพในการสร้างสายไฟฟ้าที่มีความหนาแน่นสูงในราคาที่จัดการได้ง่ายกว่า ทำให้เป็นโซลูชันที่มีแนวโน้มดีสำหรับเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ในอนาคต

4. **การเชื่อมไฮบริด HBM:** การเชื่อมไฮบริดทองแดง-ทองแดง 3 มิติ (Cu-Cu) เป็นเทคโนโลยีสำคัญสำหรับการเชื่อมต่อระหว่างชิปในแนวตั้งที่มีระยะห่างระหว่างกันน้อยมาก เทคโนโลยีนี้ถูกนำมาใช้ในผลิตภัณฑ์เซิร์ฟเวอร์ระดับไฮเอนด์ต่างๆ รวมถึง AMD EPYC สำหรับ SRAM และ CPU ที่ซ้อนกัน รวมถึงซีรีส์ MI300 สำหรับการซ้อนบล็อก CPU/GPU บนไดย์ I/O การเชื่อมไฮบริดคาดว่าจะมีบทบาทสำคัญในการพัฒนา HBM ในอนาคต โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับสแต็ก DRAM ที่มีเลเยอร์เกิน 16-Hi หรือ 20-Hi

5. **อุปกรณ์ออปติกแบบรวมแพ็คเกจ (CPO):** ด้วยความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับปริมาณข้อมูลที่เพิ่มขึ้นและประสิทธิภาพการใช้พลังงาน เทคโนโลยีการเชื่อมต่อแบบออปติกจึงได้รับความสนใจอย่างมาก อุปกรณ์ออปติกแบบรวมแพ็คเกจ (CPO) กำลังกลายเป็นโซลูชันสำคัญสำหรับการเพิ่มแบนด์วิดท์ I/O และลดการใช้พลังงาน เมื่อเปรียบเทียบกับระบบส่งสัญญาณไฟฟ้าแบบเดิม การสื่อสารด้วยออปติกมีข้อดีหลายประการ เช่น การลดทอนสัญญาณที่ต่ำกว่าในระยะทางไกล ความไวต่อสัญญาณรบกวนที่ลดลง และแบนด์วิดท์ที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก ข้อดีเหล่านี้ทำให้ CPO เป็นตัวเลือกที่เหมาะสำหรับระบบ HPC ที่ใช้ข้อมูลเข้มข้นและใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ

**ตลาดสำคัญที่ต้องจับตามอง:**

ตลาดหลักที่ขับเคลื่อนการพัฒนาเทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์ 2.5D และ 3D คือภาคการประมวลผลประสิทธิภาพสูง (HPC) อย่างไม่ต้องสงสัย วิธีการบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงเหล่านี้มีความสำคัญต่อการเอาชนะข้อจำกัดของกฎของมัวร์ ทำให้มีทรานซิสเตอร์ หน่วยความจำ และการเชื่อมต่อภายในแพ็คเกจเดียวได้มากขึ้น การแยกชิปยังช่วยให้สามารถใช้โหนดกระบวนการระหว่างบล็อกฟังก์ชันต่างๆ ได้อย่างเหมาะสม เช่น การแยกบล็อก I/O ออกจากบล็อกการประมวลผล ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพให้ดียิ่งขึ้น

นอกเหนือจากการประมวลผลประสิทธิภาพสูง (HPC) แล้ว ตลาดอื่นๆ ก็คาดว่าจะเติบโตเช่นกันผ่านการนำเทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงมาใช้ ในภาคส่วน 5G และ 6G นวัตกรรมต่างๆ เช่น เสาอากาศบรรจุภัณฑ์และโซลูชันชิปที่ล้ำสมัยจะกำหนดอนาคตของสถาปัตยกรรมเครือข่ายการเข้าถึงแบบไร้สาย (RAN) ยานยนต์ไร้คนขับก็จะได้รับประโยชน์เช่นกัน เนื่องจากเทคโนโลยีเหล่านี้รองรับการผสานรวมชุดเซ็นเซอร์และหน่วยประมวลผลเพื่อประมวลผลข้อมูลจำนวนมาก ขณะเดียวกันก็รับประกันความปลอดภัย ความน่าเชื่อถือ ความกะทัดรัด การจัดการพลังงานและความร้อน และความคุ้มทุน

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค (รวมถึงสมาร์ทโฟน สมาร์ทวอทช์ อุปกรณ์ AR/VR พีซี และเวิร์กสเตชัน) ให้ความสำคัญกับการประมวลผลข้อมูลมากขึ้นในพื้นที่ที่เล็กลง แม้จะเน้นเรื่องต้นทุนมากขึ้นก็ตาม บรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูงจะมีบทบาทสำคัญในแนวโน้มนี้ แม้ว่าวิธีการบรรจุภัณฑ์อาจแตกต่างจากที่ใช้ใน HPC ก็ตาม