ข่าวอุตสาหกรรม: แนวโน้มเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง

เทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ได้พัฒนาจากดีไซน์ PCB แบบ 1 มิติแบบดั้งเดิม ไปสู่เทคโนโลยีการเชื่อมต่อแบบไฮบริด 3 มิติที่ล้ำสมัยในระดับเวเฟอร์ ความก้าวหน้านี้ช่วยให้สามารถเว้นระยะห่างระหว่างจุดเชื่อมต่อได้ในระดับไมครอนหลักเดียว ด้วยแบนด์วิดท์สูงถึง 1000 GB/s ในขณะที่ยังคงรักษาประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูง หัวใจสำคัญของเทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูงคือการบรรจุภัณฑ์แบบ 2.5 มิติ (ซึ่งส่วนประกอบต่างๆ ถูกวางเคียงข้างกันบนชั้นตัวกลาง) และการบรรจุภัณฑ์แบบ 3 มิติ (ซึ่งเกี่ยวข้องกับการวางซ้อนชิปที่ใช้งานอยู่ในแนวตั้ง) เทคโนโลยีเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่ออนาคตของระบบ HPC

เทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์แบบ 2.5 มิติเกี่ยวข้องกับวัสดุชั้นกลางหลายประเภท ซึ่งแต่ละประเภทมีข้อดีและข้อเสียแตกต่างกันไป ชั้นกลางซิลิคอน (Si) รวมถึงแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนแบบพาสซีฟโดยสมบูรณ์และสะพานซิลิคอนเฉพาะจุด เป็นที่รู้จักกันดีในด้านความสามารถในการเดินสายที่ดีที่สุด ทำให้เหมาะสำหรับการประมวลผลประสิทธิภาพสูง อย่างไรก็ตาม วัสดุและกระบวนการผลิตมีราคาแพง และมีข้อจำกัดด้านพื้นที่ในการบรรจุภัณฑ์ เพื่อลดปัญหาเหล่านี้ การใช้สะพานซิลิคอนเฉพาะจุดจึงเพิ่มมากขึ้น โดยใช้ซิลิคอนอย่างมีกลยุทธ์ในจุดที่ฟังก์ชันการทำงานละเอียดมีความสำคัญ ในขณะเดียวกันก็ต้องคำนึงถึงข้อจำกัดด้านพื้นที่ด้วย

ชั้นตัวกลางอินทรีย์ที่ใช้พลาสติกขึ้นรูปกระจายตัวเป็นทางเลือกที่คุ้มค่ากว่าซิลิคอน เนื่องจากมีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำกว่า ซึ่งช่วยลดความล่าช้าของ RC ในบรรจุภัณฑ์ อย่างไรก็ตาม แม้จะมีข้อดีเหล่านี้ ชั้นตัวกลางอินทรีย์ก็ยังไม่สามารถลดจำนวนคุณสมบัติการเชื่อมต่อได้มากเท่ากับบรรจุภัณฑ์ที่ใช้ซิลิคอน ทำให้การนำไปใช้งานในแอปพลิเคชันคอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูงยังมีข้อจำกัด

ชั้นตัวกลางที่เป็นแก้วได้รับความสนใจอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งหลังจากที่ Intel เพิ่งเปิดตัวบรรจุภัณฑ์สำหรับทดสอบชิปที่ใช้แก้วเป็นส่วนประกอบ แก้วมีข้อดีหลายประการ เช่น ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ที่ปรับได้ ความเสถียรของมิติสูง พื้นผิวเรียบและแบน และความสามารถในการรองรับการผลิตแผง ทำให้เป็นวัสดุที่มีศักยภาพสำหรับชั้นตัวกลางที่มีคุณสมบัติในการเดินสายไฟเทียบเท่ากับซิลิคอน อย่างไรก็ตาม นอกเหนือจากความท้าทายทางเทคนิคแล้ว ข้อเสียหลักของชั้นตัวกลางที่เป็นแก้วคือระบบนิเวศที่ยังไม่สมบูรณ์และขาดกำลังการผลิตขนาดใหญ่ในปัจจุบัน เมื่อระบบนิเวศเติบโตเต็มที่และกำลังการผลิตดีขึ้น เทคโนโลยีที่ใช้แก้วในบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์อาจมีการเติบโตและการนำไปใช้มากขึ้น

ในแง่ของเทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์ 3 มิติ เทคโนโลยีการเชื่อมต่อแบบไฮบริดไร้ปุ่มนูน Cu-Cu กำลังกลายเป็นเทคโนโลยีนวัตกรรมชั้นนำ เทคนิคขั้นสูงนี้ทำให้เกิดการเชื่อมต่อถาวรโดยการรวมวัสดุไดอิเล็กทริก (เช่น SiO2) กับโลหะที่ฝังอยู่ (Cu) การเชื่อมต่อแบบไฮบริด Cu-Cu สามารถทำระยะห่างได้ต่ำกว่า 10 ไมครอน โดยทั่วไปอยู่ในช่วงไมครอนหลักเดียว ซึ่งแสดงถึงการพัฒนาที่สำคัญเหนือเทคโนโลยีไมโครบั๊มพ์แบบดั้งเดิมที่มีระยะห่างของปุ่มนูนประมาณ 40-50 ไมครอน ข้อดีของการเชื่อมต่อแบบไฮบริด ได้แก่ การเพิ่มจำนวนอินพุต/เอาต์พุต แบนด์วิดท์ที่เพิ่มขึ้น การเรียงซ้อนแนวตั้ง 3 มิติที่ดีขึ้น ประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่ดีขึ้น และลดผลกระทบจากพาราสิตและค่าความต้านทานความร้อนเนื่องจากไม่มีการเติมด้านล่าง อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีนี้มีความซับซ้อนในการผลิตและมีต้นทุนสูง

เทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ 2.5 มิติและ 3 มิติครอบคลุมเทคนิคการบรรจุภัณฑ์ที่หลากหลาย ในบรรจุภัณฑ์ 2.5 มิติ ขึ้นอยู่กับการเลือกใช้วัสดุชั้นกลาง สามารถแบ่งออกเป็นชั้นกลางที่ทำจากซิลิคอน ชั้นกลางที่ทำจากสารอินทรีย์ และชั้นกลางที่ทำจากแก้ว ดังแสดงในรูปด้านบน ในบรรจุภัณฑ์ 3 มิติ การพัฒนาเทคโนโลยีไมโครบั้มพ์มีเป้าหมายเพื่อลดขนาดระยะห่าง แต่ในปัจจุบัน ด้วยการนำเทคโนโลยีการเชื่อมต่อแบบไฮบริด (วิธีการเชื่อมต่อ Cu-Cu โดยตรง) มาใช้ สามารถลดขนาดระยะห่างให้เหลือเพียงหลักเดียวได้ ซึ่งถือเป็นความก้าวหน้าอย่างมากในสาขานี้

**แนวโน้มเทคโนโลยีสำคัญที่ควรจับตา:**

1. **พื้นที่ชั้นตัวกลางที่ใหญ่ขึ้น:** ก่อนหน้านี้ IDTechEx คาดการณ์ว่าเนื่องจากความยากลำบากในการผลิตชั้นตัวกลางซิลิคอนที่มีขนาดเกินขีดจำกัด 3 เท่าของขนาดแผ่นแม่พิมพ์ โซลูชันสะพานซิลิคอน 2.5 มิติจะเข้ามาแทนที่ชั้นตัวกลางซิลิคอนในฐานะตัวเลือกหลักสำหรับการบรรจุชิป HPC ในไม่ช้า TSMC เป็นผู้จัดหาชั้นตัวกลางซิลิคอน 2.5 มิติรายใหญ่ให้กับ NVIDIA และผู้พัฒนา HPC ชั้นนำอื่นๆ เช่น Google และ Amazon และบริษัทเพิ่งประกาศการผลิตจำนวนมากของ CoWoS_L รุ่นแรกที่มีขนาดแผ่นแม่พิมพ์ 3.5 เท่า IDTechEx คาดว่าแนวโน้มนี้จะดำเนินต่อไป โดยจะมีการกล่าวถึงความก้าวหน้าเพิ่มเติมในรายงานที่ครอบคลุมผู้เล่นรายใหญ่

2. **การบรรจุภัณฑ์ระดับแผง:** การบรรจุภัณฑ์ระดับแผงกลายเป็นประเด็นสำคัญอย่างมาก ดังที่เห็นได้จากงานแสดงสินค้าเซมิคอนดักเตอร์นานาชาติไต้หวันปี 2024 วิธีการบรรจุภัณฑ์นี้ช่วยให้สามารถใช้ชั้นตัวกลางที่ใหญ่ขึ้นและช่วยลดต้นทุนโดยการผลิตชิ้นส่วนได้มากขึ้นพร้อมกัน แม้ว่าจะมีศักยภาพสูง แต่ก็ยังมีปัญหาที่ต้องแก้ไข เช่น การจัดการการบิดเบี้ยวของชิ้นส่วน ความสำคัญที่เพิ่มขึ้นสะท้อนให้เห็นถึงความต้องการชั้นตัวกลางที่ใหญ่ขึ้นและคุ้มค่ากว่า

3. **ชั้นตัวกลางที่เป็นแก้ว:** แก้วกำลังกลายเป็นวัสดุที่มีศักยภาพสูงสำหรับการสร้างวงจรขนาดเล็กที่ละเอียดเทียบเท่ากับซิลิคอน โดยมีข้อดีเพิ่มเติม เช่น ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ที่ปรับได้ และความน่าเชื่อถือที่สูงกว่า นอกจากนี้ ชั้นตัวกลางที่เป็นแก้วยังเข้ากันได้กับการบรรจุภัณฑ์ระดับแผง ทำให้มีศักยภาพในการเดินสายไฟความหนาแน่นสูงในต้นทุนที่จัดการได้ง่ายกว่า จึงเป็นโซลูชันที่น่าสนใจสำหรับเทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์ในอนาคต

4. **การเชื่อมต่อแบบไฮบริด HBM:** การเชื่อมต่อแบบไฮบริดทองแดง-ทองแดง (Cu-Cu) 3 มิติ เป็นเทคโนโลยีสำคัญในการสร้างการเชื่อมต่อแนวตั้งที่มีระยะห่างละเอียดมากระหว่างชิป เทคโนโลยีนี้ถูกนำไปใช้ในผลิตภัณฑ์เซิร์ฟเวอร์ระดับไฮเอนด์ต่างๆ รวมถึง AMD EPYC สำหรับ SRAM และ CPU แบบเรียงซ้อน ตลอดจนซีรี่ส์ MI300 สำหรับการเรียงซ้อนบล็อก CPU/GPU บนได I/O การเชื่อมต่อแบบไฮบริดคาดว่าจะมีบทบาทสำคัญในการพัฒนา HBM ในอนาคต โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับ DRAM แบบเรียงซ้อนที่มีมากกว่า 16-Hi หรือ 20-Hi เลเยอร์

5. **อุปกรณ์ออปติคอลแบบบรรจุร่วม (CPO):** ด้วยความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับปริมาณข้อมูลที่สูงขึ้นและประสิทธิภาพการใช้พลังงาน เทคโนโลยีการเชื่อมต่อแบบออปติคอลจึงได้รับความสนใจอย่างมาก อุปกรณ์ออปติคอลแบบบรรจุร่วม (CPO) กำลังกลายเป็นโซลูชันสำคัญสำหรับการเพิ่มแบนด์วิดท์ I/O และลดการใช้พลังงาน เมื่อเทียบกับการส่งสัญญาณไฟฟ้าแบบดั้งเดิม การสื่อสารแบบออปติคอลมีข้อดีหลายประการ ได้แก่ การลดทอนสัญญาณในระยะทางไกล ความไวต่อการรบกวนข้ามช่องสัญญาณที่ลดลง และแบนด์วิดท์ที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก ข้อดีเหล่านี้ทำให้ CPO เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับระบบ HPC ที่ต้องการประสิทธิภาพการใช้พลังงานและปริมาณข้อมูลสูง

**ตลาดสำคัญที่ควรจับตา:**

ตลาดหลักที่ขับเคลื่อนการพัฒนาเทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์ 2.5 มิติและ 3 มิติ คือภาคส่วนการประมวลผลประสิทธิภาพสูง (HPC) อย่างไม่ต้องสงสัย วิธีการบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเอาชนะข้อจำกัดของกฎของมัวร์ ทำให้สามารถบรรจุทรานซิสเตอร์ หน่วยความจำ และการเชื่อมต่อได้มากขึ้นภายในบรรจุภัณฑ์เดียว การแบ่งส่วนชิปยังช่วยให้สามารถใช้ประโยชน์จากโหนดกระบวนการได้อย่างเหมาะสมระหว่างบล็อกการทำงานต่างๆ เช่น การแยกบล็อก I/O ออกจากบล็อกการประมวลผล ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพให้ดียิ่งขึ้น

นอกเหนือจากการประมวลผลประสิทธิภาพสูง (HPC) แล้ว ตลาดอื่นๆ ก็คาดว่าจะเติบโตขึ้นจากการนำเทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงมาใช้เช่นกัน ในภาคส่วน 5G และ 6G นวัตกรรมต่างๆ เช่น การบรรจุภัณฑ์เสาอากาศและโซลูชันชิปที่ล้ำสมัย จะกำหนดอนาคตของสถาปัตยกรรมเครือข่ายการเข้าถึงไร้สาย (RAN) ยานยนต์ไร้คนขับก็จะได้รับประโยชน์เช่นกัน เนื่องจากเทคโนโลยีเหล่านี้สนับสนุนการบูรณาการชุดเซ็นเซอร์และหน่วยประมวลผลเพื่อประมวลผลข้อมูลจำนวนมาก ในขณะเดียวกันก็รับประกันความปลอดภัย ความน่าเชื่อถือ ความกะทัดรัด การจัดการพลังงานและความร้อน และความคุ้มค่า

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค (รวมถึงสมาร์ทโฟน สมาร์ทวอทช์ อุปกรณ์ AR/VR พีซี และเวิร์กสเตชัน) กำลังมุ่งเน้นไปที่การประมวลผลข้อมูลจำนวนมากขึ้นในพื้นที่ที่เล็ลง แม้ว่าจะให้ความสำคัญกับต้นทุนมากขึ้นก็ตาม เทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูงจะมีบทบาทสำคัญในแนวโน้มนี้ แม้ว่าวิธีการบรรจุภัณฑ์อาจแตกต่างจากที่ใช้ใน HPC ก็ตาม