Đóng gói bán dẫn đã phát triển từ thiết kế PCB 1D truyền thống thành liên kết lai 3D tiên tiến ở cấp độ wafer. Sự tiến bộ này cho phép khoảng cách kết nối trong phạm vi micron một chữ số, với băng thông lên tới 1000 GB/giây, trong khi vẫn duy trì hiệu suất năng lượng cao. Cốt lõi của các công nghệ đóng gói bán dẫn tiên tiến là đóng gói 2.5D (trong đó các thành phần được đặt cạnh nhau trên một lớp trung gian) và đóng gói 3D (bao gồm xếp chồng các chip hoạt động theo chiều dọc). Những công nghệ này rất quan trọng đối với tương lai của các hệ thống HPC.
Công nghệ đóng gói 2.5D liên quan đến nhiều vật liệu lớp trung gian khác nhau, mỗi loại có ưu điểm và nhược điểm riêng. Các lớp trung gian silicon (Si), bao gồm các tấm wafer silicon hoàn toàn thụ động và các cầu silicon cục bộ, được biết đến với khả năng cung cấp khả năng đi dây tốt nhất, khiến chúng trở nên lý tưởng cho điện toán hiệu suất cao. Tuy nhiên, chúng tốn kém về mặt vật liệu và sản xuất và gặp phải những hạn chế về diện tích đóng gói. Để giảm thiểu những vấn đề này, việc sử dụng các cầu silicon cục bộ đang gia tăng, sử dụng silicon một cách chiến lược ở những nơi chức năng tốt là rất quan trọng trong khi giải quyết các hạn chế về diện tích.
Các lớp trung gian hữu cơ, sử dụng nhựa đúc dạng quạt, là giải pháp thay thế hiệu quả hơn về mặt chi phí cho silicon. Chúng có hằng số điện môi thấp hơn, giúp giảm độ trễ RC trong gói. Mặc dù có những ưu điểm này, các lớp trung gian hữu cơ vẫn khó đạt được cùng mức độ giảm tính năng kết nối như gói silicon, hạn chế việc áp dụng chúng trong các ứng dụng điện toán hiệu suất cao.
Các lớp trung gian bằng kính đã thu hút được sự quan tâm đáng kể, đặc biệt là sau khi Intel gần đây ra mắt bao bì xe thử nghiệm làm từ kính. Kính có một số ưu điểm, chẳng hạn như hệ số giãn nở nhiệt (CTE) có thể điều chỉnh, độ ổn định kích thước cao, bề mặt nhẵn và phẳng, và khả năng hỗ trợ sản xuất tấm pin, khiến nó trở thành ứng cử viên đầy hứa hẹn cho các lớp trung gian có khả năng đi dây tương đương với silicon. Tuy nhiên, ngoài những thách thức về mặt kỹ thuật, nhược điểm chính của các lớp trung gian bằng kính là hệ sinh thái chưa trưởng thành và hiện tại thiếu năng lực sản xuất quy mô lớn. Khi hệ sinh thái trưởng thành và năng lực sản xuất được cải thiện, các công nghệ làm từ kính trong bao bì bán dẫn có thể sẽ tăng trưởng và được áp dụng nhiều hơn nữa.
Về mặt công nghệ đóng gói 3D, liên kết lai Cu-Cu không gờ đang trở thành công nghệ tiên tiến hàng đầu. Kỹ thuật tiên tiến này đạt được kết nối vĩnh viễn bằng cách kết hợp các vật liệu điện môi (như SiO2) với kim loại nhúng (Cu). Liên kết lai Cu-Cu có thể đạt được khoảng cách dưới 10 micron, thường ở phạm vi micron một chữ số, thể hiện sự cải tiến đáng kể so với công nghệ gờ siêu nhỏ truyền thống, có khoảng cách gờ khoảng 40-50 micron. Các ưu điểm của liên kết lai bao gồm tăng I/O, tăng băng thông, cải thiện xếp chồng theo chiều dọc 3D, hiệu quả năng lượng tốt hơn và giảm hiệu ứng ký sinh và điện trở nhiệt do không có lớp lấp đầy ở đáy. Tuy nhiên, công nghệ này phức tạp khi sản xuất và có chi phí cao hơn.
Công nghệ đóng gói 2.5D và 3D bao gồm nhiều kỹ thuật đóng gói khác nhau. Trong đóng gói 2.5D, tùy thuộc vào sự lựa chọn vật liệu lớp trung gian, nó có thể được phân loại thành các lớp trung gian gốc silicon, gốc hữu cơ và gốc thủy tinh, như thể hiện trong hình trên. Trong đóng gói 3D, sự phát triển của công nghệ micro-bump nhằm mục đích giảm kích thước khoảng cách, nhưng ngày nay, bằng cách áp dụng công nghệ liên kết lai (phương pháp kết nối Cu-Cu trực tiếp), kích thước khoảng cách một chữ số có thể đạt được, đánh dấu sự tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực này.
**Xu hướng công nghệ quan trọng cần chú ý:**
1. **Diện tích lớp trung gian lớn hơn:** IDTechEx trước đây đã dự đoán rằng do khó khăn của các lớp trung gian silicon vượt quá giới hạn kích thước lưới 3x, các giải pháp cầu silicon 2,5D sẽ sớm thay thế các lớp trung gian silicon làm lựa chọn chính để đóng gói chip HPC. TSMC là nhà cung cấp chính các lớp trung gian silicon 2,5D cho NVIDIA và các nhà phát triển HPC hàng đầu khác như Google và Amazon, và công ty gần đây đã công bố sản xuất hàng loạt CoWoS_L thế hệ đầu tiên với kích thước lưới 3,5x. IDTechEx dự kiến xu hướng này sẽ tiếp tục, với những tiến bộ hơn nữa được thảo luận trong báo cáo của mình bao gồm các công ty lớn.
2. **Đóng gói cấp tấm:** Đóng gói cấp tấm đã trở thành trọng tâm đáng kể, như đã nêu bật tại Triển lãm bán dẫn quốc tế Đài Loan năm 2024. Phương pháp đóng gói này cho phép sử dụng các lớp trung gian lớn hơn và giúp giảm chi phí bằng cách sản xuất nhiều gói hơn cùng lúc. Mặc dù có tiềm năng, nhưng những thách thức như quản lý cong vênh vẫn cần được giải quyết. Sự nổi bật ngày càng tăng của nó phản ánh nhu cầu ngày càng tăng đối với các lớp trung gian lớn hơn, hiệu quả hơn về chi phí.
3. **Lớp trung gian bằng kính:** Kính đang nổi lên như một vật liệu ứng cử viên mạnh mẽ để đạt được hệ thống dây dẫn tốt, tương đương với silicon, với các ưu điểm bổ sung như CTE có thể điều chỉnh và độ tin cậy cao hơn. Các lớp trung gian bằng kính cũng tương thích với bao bì cấp tấm, mang lại tiềm năng cho hệ thống dây dẫn mật độ cao với chi phí dễ quản lý hơn, khiến nó trở thành giải pháp đầy hứa hẹn cho các công nghệ bao bì trong tương lai.
4. **Liên kết lai HBM:** Liên kết lai đồng-đồng 3D (Cu-Cu) là công nghệ chính để đạt được kết nối dọc có bước sóng cực mịn giữa các chip. Công nghệ này đã được sử dụng trong nhiều sản phẩm máy chủ cao cấp, bao gồm AMD EPYC cho SRAM và CPU xếp chồng, cũng như dòng MI300 để xếp chồng các khối CPU/GPU trên các đế I/O. Liên kết lai được kỳ vọng sẽ đóng vai trò quan trọng trong những tiến bộ của HBM trong tương lai, đặc biệt là đối với các ngăn xếp DRAM vượt quá lớp 16-Hi hoặc 20-Hi.
5. **Thiết bị quang đóng gói chung (CPO):** Với nhu cầu ngày càng tăng về thông lượng dữ liệu cao hơn và hiệu quả năng lượng, công nghệ kết nối quang đã thu hút được sự chú ý đáng kể. Thiết bị quang đóng gói chung (CPO) đang trở thành giải pháp chính để tăng cường băng thông I/O và giảm mức tiêu thụ năng lượng. So với truyền dẫn điện truyền thống, truyền thông quang cung cấp một số lợi thế, bao gồm suy giảm tín hiệu thấp hơn trên khoảng cách xa, giảm độ nhạy nhiễu xuyên âm và tăng đáng kể băng thông. Những lợi thế này khiến CPO trở thành lựa chọn lý tưởng cho các hệ thống HPC tiết kiệm năng lượng, sử dụng nhiều dữ liệu.
**Các thị trường chính cần chú ý:**
Thị trường chính thúc đẩy sự phát triển của công nghệ đóng gói 2.5D và 3D chắc chắn là lĩnh vực điện toán hiệu suất cao (HPC). Các phương pháp đóng gói tiên tiến này rất quan trọng để khắc phục những hạn chế của Định luật Moore, cho phép nhiều bóng bán dẫn, bộ nhớ và kết nối hơn trong một gói duy nhất. Việc phân tách chip cũng cho phép sử dụng tối ưu các nút quy trình giữa các khối chức năng khác nhau, chẳng hạn như tách các khối I/O khỏi các khối xử lý, giúp tăng cường hiệu quả hơn nữa.
Ngoài điện toán hiệu năng cao (HPC), các thị trường khác cũng được kỳ vọng sẽ đạt được tăng trưởng thông qua việc áp dụng các công nghệ đóng gói tiên tiến. Trong các lĩnh vực 5G và 6G, những cải tiến như ăng-ten đóng gói và các giải pháp chip tiên tiến sẽ định hình tương lai của kiến trúc mạng truy cập không dây (RAN). Xe tự hành cũng sẽ được hưởng lợi, vì các công nghệ này hỗ trợ tích hợp các bộ cảm biến và đơn vị điện toán để xử lý lượng dữ liệu lớn trong khi vẫn đảm bảo tính an toàn, độ tin cậy, tính nhỏ gọn, quản lý năng lượng và nhiệt, và hiệu quả về chi phí.
Thiết bị điện tử tiêu dùng (bao gồm điện thoại thông minh, đồng hồ thông minh, thiết bị AR/VR, PC và máy trạm) ngày càng tập trung vào việc xử lý nhiều dữ liệu hơn trong không gian nhỏ hơn, mặc dù chú trọng nhiều hơn vào chi phí. Bao bì bán dẫn tiên tiến sẽ đóng vai trò quan trọng trong xu hướng này, mặc dù các phương pháp đóng gói có thể khác với các phương pháp được sử dụng trong HPC.
Thời gian đăng: 07-10-2024