De automobielchipindustrie ondergaat veranderingen
Onlangs besprak het halfgeleiderteam kleine chips, hybride binding en nieuwe materialen met Michael Kelly, vicepresident van Amkor's small chip en FCBGA-integratie. Ook namen ASE-onderzoeker William Chen, CEO van Promex Industries Dick Otte en Sander Roosendaal, R&D-directeur van Synopsys Photonics Solutions, deel aan de discussie. Hieronder vindt u fragmenten uit deze discussie.
Jarenlang nam de ontwikkeling van autochips geen leidende positie in binnen de industrie. Met de opkomst van elektrische auto's en de ontwikkeling van geavanceerde infotainmentsystemen is deze situatie echter drastisch veranderd. Welke problemen heeft u opgemerkt?
Kelly: High-end ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) vereist processoren met een 5-nanometerproces of kleiner om concurrerend te zijn op de markt. Zodra je het 5-nanometerproces betreedt, moet je rekening houden met de waferkosten, wat leidt tot een zorgvuldige afweging van oplossingen met kleine chips, omdat het moeilijk is om grote chips te produceren met het 5-nanometerproces. Bovendien is de opbrengst laag, wat resulteert in extreem hoge kosten. Bij 5-nanometerprocessen of geavanceerdere processen overwegen klanten doorgaans een deel van de 5-nanometerchip te selecteren in plaats van de hele chip te gebruiken, terwijl ze tegelijkertijd de investeringen in de packagingfase verhogen. Ze denken misschien: "Zou het een kosteneffectievere optie zijn om de vereiste prestaties op deze manier te bereiken, in plaats van te proberen alle functies in een grotere chip te verwerken?" Dus ja, high-end automotive bedrijven besteden zeker aandacht aan small-chiptechnologie. Toonaangevende bedrijven in de industrie volgen dit nauwlettend. Vergeleken met de computerindustrie loopt de automotive industrie waarschijnlijk 2 tot 4 jaar achter met de toepassing van small-chiptechnologie, maar de trend voor de toepassing ervan in de automotive sector is duidelijk. De auto-industrie stelt extreem hoge eisen aan betrouwbaarheid, dus de betrouwbaarheid van smallchiptechnologie moet bewezen worden. Grootschalige toepassing van smallchiptechnologie in de automobielsector is echter zeker in aantocht.
Chen: Ik heb geen noemenswaardige obstakels opgemerkt. Ik denk dat het meer te maken heeft met het grondig leren en begrijpen van de relevante certificeringseisen. Dit gaat terug naar het metrologische niveau. Hoe produceren we pakketten die voldoen aan de extreem strenge automotive-normen? Maar het is zeker dat de relevante technologie zich continu ontwikkelt.
Gezien de vele thermische problemen en complexiteiten die gepaard gaan met componenten met meerdere matrijstypen, komen er nieuwe stresstestprofielen of andere soorten tests? Kunnen de huidige JEDEC-normen dergelijke geïntegreerde systemen dekken?
Chen: Ik geloof dat we uitgebreidere diagnostische methoden moeten ontwikkelen om de bron van storingen duidelijk te identificeren. We hebben het gehad over de combinatie van metrologie en diagnostiek, en we hebben de verantwoordelijkheid om uit te zoeken hoe we robuustere pakketten kunnen bouwen, materialen en processen van hogere kwaliteit kunnen gebruiken en deze kunnen valideren.
Kelly: Tegenwoordig voeren we casestudies uit met klanten die iets hebben geleerd van testen op systeemniveau, met name temperatuurimpacttesten in functionele bordtesten, wat niet onder JEDEC-testen valt. JEDEC-testen zijn slechts isotherme testen, waarbij "temperatuurstijging, -daling en -overgang" een rol spelen. De temperatuurverdeling in daadwerkelijke behuizingen wijkt echter sterk af van wat er in de praktijk gebeurt. Steeds meer klanten willen testen op systeemniveau al vroeg uitvoeren omdat ze deze situatie begrijpen, hoewel niet iedereen zich daarvan bewust is. Simulatietechnologie speelt hierbij ook een rol. Als iemand bedreven is in thermisch-mechanische combinatiesimulatie, wordt het analyseren van problemen gemakkelijker omdat men weet op welke aspecten men zich tijdens het testen moet richten. Testen op systeemniveau en simulatietechnologie vullen elkaar aan. Deze trend staat echter nog in de kinderschoenen.
Zijn er meer thermische problemen die moeten worden aangepakt bij volwassen technologieknooppunten dan in het verleden?
Otte: Ja, maar de afgelopen jaren zijn coplanariteitsproblemen steeds prominenter geworden. We zien 5.000 tot 10.000 koperen pilaren op een chip, met een onderlinge afstand van 50 micron tot 127 micron. Als je de relevante gegevens nauwkeurig bekijkt, zul je zien dat het plaatsen van deze koperen pilaren op het substraat en het uitvoeren van verhitting, koeling en reflow-soldeerbewerkingen een coplanariteitsnauwkeurigheid van ongeveer één deel op honderdduizend vereist. Een precisie van één deel op honderdduizend is als het vinden van een grassprietje binnen de lengte van een voetbalveld. We hebben een aantal hoogwaardige Keyence-instrumenten aangeschaft om de vlakheid van de chip en het substraat te meten. De vraag is natuurlijk hoe we dit kromtrekken tijdens de reflow-soldeercyclus kunnen beheersen? Dit is een dringend probleem dat moet worden aangepakt.
Chen: Ik kan me nog de discussies over de Ponte Vecchio herinneren, waar ze soldeer op lage temperatuur gebruikten vanwege de assemblage en niet vanwege de prestaties.
Gezien het feit dat alle circuits in de buurt nog steeds thermische problemen hebben, hoe kunnen we fotonica hierin integreren?
Roosendaal: Thermische simulatie moet voor alle aspecten worden uitgevoerd, en hoogfrequente extractie is ook noodzakelijk, omdat de binnenkomende signalen hoogfrequente signalen zijn. Daarom moeten zaken als impedantieaanpassing en correcte aarding worden aangepakt. Er kunnen aanzienlijke temperatuurverschillen optreden, bijvoorbeeld in de matrijs zelf of tussen wat we de "E"-matrijs (elektrische matrijs) en de "P"-matrijs (fotonenmatrijs) noemen. Ik ben benieuwd of we dieper moeten ingaan op de thermische eigenschappen van lijmen.
Dit roept discussies op over de materialen voor het verbinden, hun selectie en hun stabiliteit in de loop der tijd. Het is duidelijk dat hybride verbindingstechnologie in de praktijk is toegepast, maar nog niet voor massaproductie. Wat is de huidige stand van zaken met betrekking tot deze technologie?
Kelly: Alle partijen in de toeleveringsketen besteden aandacht aan hybride bondingtechnologie. Momenteel wordt deze technologie voornamelijk geleid door gieterijen, maar OSAT-bedrijven (Outsourced Semiconductor Assembly and Test) bestuderen ook serieus de commerciële toepassingen ervan. Klassieke koperen hybride diëlektrische bondingcomponenten hebben een langetermijnvalidatie ondergaan. Als de reinheid kan worden gecontroleerd, kan dit proces zeer robuuste componenten opleveren. Het stelt echter extreem hoge reinheidseisen en de kosten van de kapitaalgoederen zijn zeer hoog. We hebben de eerste toepassingspogingen gezien in AMD's Ryzen-productlijn, waar de meeste SRAM-producten koperen hybride bondingtechnologie gebruikten. Ik heb echter nog niet veel andere klanten deze technologie zien toepassen. Hoewel het op de technologische roadmaps van veel bedrijven staat, lijkt het erop dat het nog een paar jaar zal duren voordat de bijbehorende apparatuur aan onafhankelijke reinheidseisen voldoet. Als het kan worden toegepast in een fabrieksomgeving met een iets lagere reinheid dan een typische waferfabriek, en als er lagere kosten kunnen worden gerealiseerd, dan zal deze technologie wellicht meer aandacht krijgen.
Chen: Volgens mijn statistieken zullen er tijdens de ECTC-conferentie van 2024 minstens 37 artikelen over hybride bonding worden gepresenteerd. Dit is een proces dat veel expertise vereist en een aanzienlijke hoeveelheid fijne bewerkingen tijdens de assemblage met zich meebrengt. Deze technologie zal dus zeker een brede toepassing vinden. Er zijn al enkele toepassingsgevallen, maar in de toekomst zal de technologie in diverse vakgebieden steeds gangbaarder worden.
Wanneer u spreekt over "goede bedrijfsvoering", doelt u dan op de noodzaak van aanzienlijke financiële investeringen?
Chen: Natuurlijk kost het tijd en expertise. Het uitvoeren van deze operatie vereist een zeer schone omgeving, wat financiële investeringen vereist. Er is ook bijbehorende apparatuur nodig, wat eveneens financiering vereist. Dit brengt dus niet alleen operationele kosten met zich mee, maar ook investeringen in faciliteiten.
Kelly: In gevallen met een afstand van 15 micron of meer is er aanzienlijke belangstelling voor het gebruik van wafer-to-wafertechnologie met koperpilaren. Idealiter zijn de wafers plat en zijn de chipgroottes niet erg groot, wat hoogwaardige reflow mogelijk maakt voor sommige van deze afstanden. Hoewel dit enkele uitdagingen met zich meebrengt, is het veel goedkoper dan overstappen op koperhybridebondingtechnologie. Als de precisie-eis echter 10 micron of lager is, verandert de situatie. Bedrijven die chipstapeltechnologie gebruiken, bereiken afstanden van minder dan tien micron, zoals 4 of 5 micron, en er is geen alternatief. Daarom zal de relevante technologie zich onvermijdelijk verder ontwikkelen. Bestaande technologieën worden echter ook voortdurend verbeterd. Daarom richten we ons nu op de grenzen waartoe koperpilaren zich kunnen uitstrekken en of deze technologie lang genoeg meegaat om klanten in staat te stellen alle investeringen in ontwerp en "kwalificatie"-ontwikkeling voor echte koperhybridebondingtechnologie uit te stellen.
Chen: We zullen alleen relevante technologieën implementeren als er vraag naar is.
Zijn er momenteel veel nieuwe ontwikkelingen op het gebied van epoxy-vormmassa?
Kelly: Vormmassa's hebben aanzienlijke veranderingen ondergaan. Hun thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) is sterk verlaagd, waardoor ze vanuit drukperspectief gunstiger zijn voor relevante toepassingen.
Otte: Terugkerend naar ons vorige gesprek: hoeveel halfgeleiderchips worden er momenteel geproduceerd met een tussenruimte van 1 of 2 micron?
Kelly: Een aanzienlijk deel.
Chen: Waarschijnlijk minder dan 1%.
Otte: De technologie die we bespreken is dus niet mainstream. Ze bevindt zich niet in de onderzoeksfase, aangezien toonaangevende bedrijven deze technologie wel degelijk toepassen, maar ze is duur en heeft een laag rendement.
Kelly: Dit wordt vooral toegepast in high-performance computing. Tegenwoordig wordt het niet alleen gebruikt in datacenters, maar ook in high-end pc's en zelfs in sommige handhelds. Hoewel deze apparaten relatief klein zijn, leveren ze toch hoge prestaties. In de bredere context van processors en CMOS-toepassingen blijft het aandeel echter relatief klein. Voor gewone chipfabrikanten is er geen noodzaak om deze technologie te implementeren.
Otte: Daarom is het verrassend dat deze technologie de auto-industrie binnenkomt. Auto's hoeven geen extreem kleine chips te hebben. Ze kunnen in processen van 20 of 40 nanometer blijven, omdat de kosten per transistor in halfgeleiders bij dit proces het laagst zijn.
Kelly: De rekenkundige eisen voor ADAS of autonoom rijden zijn echter dezelfde als die voor AI-pc's of vergelijkbare apparaten. Daarom moet de auto-industrie investeren in deze geavanceerde technologieën.
Als de productcyclus vijf jaar bedraagt, kan het voordeel dan met nog eens vijf jaar verlengd worden door de invoering van nieuwe technologieën?
Kelly: Dat is een heel terecht punt. De auto-industrie heeft een andere invalshoek. Denk aan eenvoudige servoregelaars of relatief eenvoudige analoge apparaten die al 20 jaar bestaan en zeer goedkoop zijn. Ze gebruiken kleine chips. Mensen in de auto-industrie willen deze producten blijven gebruiken. Ze willen alleen investeren in zeer geavanceerde computers met digitale kleine chips en deze mogelijk combineren met goedkope analoge chips, flashgeheugen en RF-chips. Voor hen is het kleine-chipmodel zeer zinvol, omdat ze veel goedkope, stabiele onderdelen van oudere generaties kunnen behouden. Ze willen deze onderdelen niet veranderen en dat is ook niet nodig. Dan hoeven ze alleen nog maar een geavanceerde kleine chip van 5 nanometer of 3 nanometer toe te voegen om de functies van het ADAS-gedeelte te vervullen. Sterker nog, ze passen verschillende soorten kleine chips toe in één product. In tegenstelling tot de pc- en computerindustrie kent de auto-industrie een breder scala aan toepassingen.
Chen: Bovendien hoeven de chips niet naast de motor te worden geïnstalleerd en zijn de omgevingsomstandigheden dus relatief beter.
Kelly: De omgevingstemperatuur in auto's is vrij hoog. Daarom moet de auto-industrie, zelfs als het vermogen van de chip niet bijzonder hoog is, investeren in goede thermische oplossingen en mogelijk zelfs overwegen om indium TIM (thermische interfacematerialen) te gebruiken, omdat de omgevingsomstandigheden zeer zwaar zijn.
Plaatsingstijd: 28-04-2025