Ngành công nghiệp chip ô tô đang trải qua những thay đổi
Gần đây, nhóm kỹ thuật bán dẫn đã thảo luận về chip nhỏ, liên kết lai và vật liệu mới với Michael Kelly, Phó chủ tịch của Amkor về chip nhỏ và tích hợp FCBGA. Cũng tham gia thảo luận là nhà nghiên cứu ASE William Chen, Tổng giám đốc điều hành Promex Industries Dick Otte và Sander Roosendaal, Giám đốc R&D của Synopsys Photonics Solutions. Dưới đây là các trích đoạn từ cuộc thảo luận này.
Trong nhiều năm, sự phát triển của chip ô tô không chiếm vị trí dẫn đầu trong ngành. Tuy nhiên, với sự gia tăng của xe điện và sự phát triển của các hệ thống thông tin giải trí tiên tiến, tình hình đã thay đổi đáng kể. Bạn đã nhận thấy những vấn đề gì?
Kelly: ADAS (Hệ thống hỗ trợ lái xe tiên tiến) cao cấp yêu cầu bộ xử lý có quy trình 5 nanomet hoặc nhỏ hơn để có thể cạnh tranh trên thị trường. Khi bạn tham gia quy trình 5 nanomet, bạn phải cân nhắc đến chi phí wafer, dẫn đến việc cân nhắc cẩn thận các giải pháp chip nhỏ, vì rất khó để sản xuất chip lớn theo quy trình 5 nanomet. Ngoài ra, năng suất thấp, dẫn đến chi phí cực kỳ cao. Khi xử lý các quy trình 5 nanomet hoặc tiên tiến hơn, khách hàng thường cân nhắc lựa chọn một phần chip 5 nanomet thay vì sử dụng toàn bộ chip, đồng thời tăng đầu tư vào giai đoạn đóng gói. Họ có thể nghĩ rằng, "Liệu có phải là lựa chọn tiết kiệm chi phí hơn để đạt được hiệu suất cần thiết theo cách này, thay vì cố gắng hoàn thành tất cả các chức năng trong một chip lớn hơn không?" Vì vậy, đúng vậy, các công ty ô tô cao cấp chắc chắn đang chú ý đến công nghệ chip nhỏ. Các công ty hàng đầu trong ngành đang theo dõi chặt chẽ điều này. So với lĩnh vực máy tính, ngành công nghiệp ô tô có thể chậm hơn 2 đến 4 năm trong việc ứng dụng công nghệ chip nhỏ, nhưng xu hướng ứng dụng công nghệ này trong lĩnh vực ô tô là rõ ràng. Ngành công nghiệp ô tô có yêu cầu về độ tin cậy cực kỳ cao, do đó độ tin cậy của công nghệ chip nhỏ phải được chứng minh. Tuy nhiên, ứng dụng công nghệ chip nhỏ trên diện rộng trong lĩnh vực ô tô chắc chắn đang trên đường.
Chen: Tôi không nhận thấy bất kỳ trở ngại đáng kể nào. Tôi nghĩ vấn đề nằm ở chỗ cần phải tìm hiểu và hiểu sâu hơn các yêu cầu chứng nhận có liên quan. Điều này liên quan đến cấp độ đo lường. Làm thế nào để chúng ta sản xuất các gói đáp ứng các tiêu chuẩn ô tô cực kỳ nghiêm ngặt? Nhưng chắc chắn rằng công nghệ có liên quan đang liên tục phát triển.
Với nhiều vấn đề về nhiệt và sự phức tạp liên quan đến các thành phần nhiều khuôn, liệu có hồ sơ thử nghiệm ứng suất mới hoặc các loại thử nghiệm khác nhau không? Các tiêu chuẩn JEDEC hiện tại có thể bao gồm các hệ thống tích hợp như vậy không?
Chen: Tôi tin rằng chúng ta cần phát triển các phương pháp chẩn đoán toàn diện hơn để xác định rõ ràng nguồn gốc của các lỗi. Chúng tôi đã thảo luận về việc kết hợp đo lường với chẩn đoán và chúng tôi có trách nhiệm tìm ra cách xây dựng các gói mạnh mẽ hơn, sử dụng vật liệu và quy trình chất lượng cao hơn và xác thực chúng.
Kelly: Ngày nay, chúng tôi đang tiến hành các nghiên cứu tình huống với khách hàng, những người đã học được điều gì đó từ thử nghiệm cấp hệ thống, đặc biệt là thử nghiệm tác động nhiệt độ trong các thử nghiệm bo mạch chức năng, điều này không được đề cập trong thử nghiệm JEDEC. Thử nghiệm JEDEC chỉ đơn thuần là thử nghiệm đẳng nhiệt, bao gồm "nhiệt độ tăng, giảm và chuyển đổi nhiệt độ". Tuy nhiên, sự phân bố nhiệt độ trong các gói thực tế khác xa với những gì xảy ra trong thế giới thực. Ngày càng nhiều khách hàng muốn tiến hành thử nghiệm cấp hệ thống sớm vì họ hiểu tình huống này, mặc dù không phải ai cũng biết. Công nghệ mô phỏng cũng đóng một vai trò ở đây. Nếu một người có kỹ năng mô phỏng kết hợp nhiệt-cơ, việc phân tích các vấn đề trở nên dễ dàng hơn vì họ biết những khía cạnh nào cần tập trung trong quá trình thử nghiệm. Thử nghiệm cấp hệ thống và công nghệ mô phỏng bổ sung cho nhau. Tuy nhiên, xu hướng này vẫn đang ở giai đoạn đầu.
Có nhiều vấn đề về nhiệt cần giải quyết ở các nút công nghệ trưởng thành hơn so với trước đây không?
Otte: Đúng vậy, nhưng trong vài năm trở lại đây, các vấn đề đồng phẳng ngày càng trở nên nổi bật. Chúng tôi thấy 5.000 đến 10.000 trụ đồng trên một con chip, cách nhau từ 50 micron đến 127 micron. Nếu bạn xem xét kỹ dữ liệu có liên quan, bạn sẽ thấy rằng việc đặt các trụ đồng này trên chất nền và thực hiện các hoạt động gia nhiệt, làm mát và hàn chảy lại đòi hỏi phải đạt được độ chính xác đồng phẳng khoảng một phần trong một trăm nghìn. Độ chính xác một phần trong một trăm nghìn giống như việc tìm một ngọn cỏ trong chiều dài của một sân bóng đá. Chúng tôi đã mua một số công cụ Keyence hiệu suất cao để đo độ phẳng của chip và chất nền. Tất nhiên, câu hỏi tiếp theo là làm thế nào để kiểm soát hiện tượng cong vênh này trong chu kỳ hàn chảy lại? Đây là một vấn đề cấp bách cần được giải quyết.
Chen: Tôi nhớ những cuộc thảo luận về Ponte Vecchio, nơi họ sử dụng mối hàn nhiệt độ thấp để lắp ráp thay vì lý do hiệu suất.
Với việc tất cả các mạch điện gần đó vẫn còn vấn đề về nhiệt, vậy thì quang tử nên được tích hợp vào đây như thế nào?
Roosendaal: Mô phỏng nhiệt cần được tiến hành cho mọi khía cạnh, và việc trích xuất tần số cao cũng cần thiết vì các tín hiệu đi vào là các tín hiệu tần số cao. Do đó, các vấn đề như khớp trở kháng và nối đất thích hợp cần được giải quyết. Có thể có các gradient nhiệt độ đáng kể, có thể tồn tại bên trong chính khuôn hoặc giữa cái mà chúng ta gọi là khuôn "E" (khuôn điện) và khuôn "P" (khuôn photon). Tôi tò mò liệu chúng ta có cần đi sâu hơn vào các đặc tính nhiệt của chất kết dính hay không.
Điều này làm dấy lên các cuộc thảo luận về vật liệu liên kết, lựa chọn của chúng và tính ổn định theo thời gian. Rõ ràng là công nghệ liên kết lai đã được áp dụng trong thế giới thực, nhưng vẫn chưa được sử dụng để sản xuất hàng loạt. Tình trạng hiện tại của công nghệ này như thế nào?
Kelly: Tất cả các bên trong chuỗi cung ứng đều đang chú ý đến công nghệ liên kết lai. Hiện tại, công nghệ này chủ yếu do các xưởng đúc dẫn đầu, nhưng các công ty OSAT (Lắp ráp và Kiểm tra Bán dẫn Gia công) cũng đang nghiêm túc nghiên cứu các ứng dụng thương mại của nó. Các thành phần liên kết điện môi lai đồng cổ điển đã trải qua quá trình xác thực dài hạn. Nếu có thể kiểm soát được độ sạch, quy trình này có thể sản xuất ra các thành phần rất chắc chắn. Tuy nhiên, nó có yêu cầu về độ sạch cực kỳ cao và chi phí thiết bị vốn rất cao. Chúng tôi đã trải nghiệm những nỗ lực ứng dụng ban đầu trong dòng sản phẩm Ryzen của AMD, nơi hầu hết SRAM sử dụng công nghệ liên kết lai đồng. Tuy nhiên, tôi chưa thấy nhiều khách hàng khác áp dụng công nghệ này. Mặc dù nó nằm trong lộ trình công nghệ của nhiều công ty, nhưng có vẻ như sẽ mất thêm vài năm nữa để các bộ thiết bị liên quan đáp ứng các yêu cầu về độ sạch độc lập. Nếu nó có thể được áp dụng trong môi trường nhà máy có độ sạch thấp hơn một chút so với nhà máy sản xuất wafer thông thường và nếu có thể đạt được chi phí thấp hơn, thì có lẽ công nghệ này sẽ nhận được nhiều sự chú ý hơn.
Chen: Theo thống kê của tôi, ít nhất 37 bài báo về liên kết lai sẽ được trình bày tại hội nghị ECTC 2024. Đây là một quy trình đòi hỏi nhiều chuyên môn và liên quan đến một lượng lớn các hoạt động tinh vi trong quá trình lắp ráp. Vì vậy, công nghệ này chắc chắn sẽ được ứng dụng rộng rãi. Đã có một số trường hợp ứng dụng, nhưng trong tương lai, nó sẽ trở nên phổ biến hơn trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Khi bạn đề cập đến "hoạt động tinh vi", bạn có đang nói đến nhu cầu đầu tư tài chính đáng kể không?
Chen: Tất nhiên, nó bao gồm thời gian và chuyên môn. Thực hiện hoạt động này đòi hỏi một môi trường rất sạch sẽ, đòi hỏi đầu tư tài chính. Nó cũng đòi hỏi các thiết bị liên quan, cũng đòi hỏi tài trợ. Vì vậy, điều này không chỉ liên quan đến chi phí hoạt động mà còn đầu tư vào cơ sở vật chất.
Kelly: Trong những trường hợp có khoảng cách từ 15 micron trở lên, có sự quan tâm đáng kể đến việc sử dụng công nghệ wafer-to-wafer trụ đồng. Lý tưởng nhất là các wafer phẳng và kích thước chip không quá lớn, cho phép hàn chảy chất lượng cao cho một số khoảng cách này. Mặc dù điều này đặt ra một số thách thức, nhưng nó ít tốn kém hơn nhiều so với việc cam kết sử dụng công nghệ liên kết lai đồng. Tuy nhiên, nếu yêu cầu về độ chính xác là 10 micron trở xuống, tình hình sẽ thay đổi. Các công ty sử dụng công nghệ xếp chồng chip sẽ đạt được khoảng cách micron một chữ số, chẳng hạn như 4 hoặc 5 micron và không có giải pháp thay thế nào khác. Do đó, công nghệ liên quan chắc chắn sẽ phát triển. Tuy nhiên, các công nghệ hiện có cũng đang liên tục được cải thiện. Vì vậy, hiện tại chúng tôi đang tập trung vào giới hạn mà các trụ đồng có thể mở rộng và liệu công nghệ này có tồn tại đủ lâu để khách hàng trì hoãn mọi khoản đầu tư phát triển thiết kế và "đạt chuẩn" trong công nghệ liên kết lai đồng thực sự hay không.
Chen: Chúng tôi chỉ áp dụng các công nghệ phù hợp khi có nhu cầu.
Hiện nay có nhiều phát triển mới trong lĩnh vực hợp chất đúc epoxy không?
Kelly: Hợp chất đúc đã trải qua những thay đổi đáng kể. CTE (hệ số giãn nở nhiệt) của chúng đã giảm đáng kể, khiến chúng thuận lợi hơn cho các ứng dụng có liên quan theo góc độ áp suất.
Otte: Quay lại cuộc thảo luận trước đây của chúng ta, hiện nay có bao nhiêu chip bán dẫn được sản xuất với khoảng cách 1 hoặc 2 micron?
Kelly: Một tỷ lệ đáng kể.
Chen: Có lẽ ít hơn 1%.
Otte: Vậy công nghệ mà chúng ta đang thảo luận không phải là công nghệ chính thống. Nó không ở giai đoạn nghiên cứu, vì các công ty hàng đầu thực sự đang áp dụng công nghệ này, nhưng nó tốn kém và có năng suất thấp.
Kelly: Điều này chủ yếu được áp dụng trong điện toán hiệu suất cao. Ngày nay, nó không chỉ được sử dụng trong các trung tâm dữ liệu mà còn trong các máy tính cá nhân cao cấp và thậm chí một số thiết bị cầm tay. Mặc dù các thiết bị này tương đối nhỏ, nhưng chúng vẫn có hiệu suất cao. Tuy nhiên, trong bối cảnh rộng hơn của bộ xử lý và các ứng dụng CMOS, tỷ lệ của nó vẫn tương đối nhỏ. Đối với các nhà sản xuất chip thông thường, không cần phải áp dụng công nghệ này.
Otte: Đó là lý do tại sao thật ngạc nhiên khi thấy công nghệ này thâm nhập vào ngành công nghiệp ô tô. Ô tô không cần chip phải cực kỳ nhỏ. Chúng có thể duy trì ở quy trình 20 hoặc 40 nanomet, vì chi phí cho mỗi bóng bán dẫn trong quy trình này là thấp nhất.
Kelly: Tuy nhiên, các yêu cầu tính toán cho ADAS hoặc lái xe tự động giống như các yêu cầu cho máy tính cá nhân AI hoặc các thiết bị tương tự. Do đó, ngành công nghiệp ô tô cần đầu tư vào các công nghệ tiên tiến này.
Nếu chu kỳ sản phẩm là năm năm, liệu việc áp dụng công nghệ mới có thể kéo dài lợi thế thêm năm năm nữa không?
Kelly: Đó là một quan điểm rất hợp lý. Ngành công nghiệp ô tô có một góc nhìn khác. Hãy xem xét các bộ điều khiển servo đơn giản hoặc các thiết bị tương tự tương đối đơn giản đã tồn tại trong 20 năm và có chi phí rất thấp. Chúng sử dụng các chip nhỏ. Những người trong ngành công nghiệp ô tô muốn tiếp tục sử dụng các sản phẩm này. Họ chỉ muốn đầu tư vào các thiết bị điện toán cao cấp với các chip nhỏ kỹ thuật số và có thể ghép nối chúng với các chip tương tự giá rẻ, bộ nhớ flash và chip RF. Đối với họ, mô hình chip nhỏ có nhiều ý nghĩa vì họ có thể giữ lại nhiều bộ phận thế hệ cũ, ổn định và giá rẻ. Họ không muốn thay đổi các bộ phận này cũng như không cần phải thay đổi. Sau đó, họ chỉ cần thêm một chip nhỏ 5 nanomet hoặc 3 nanomet cao cấp để thực hiện các chức năng của phần ADAS. Trên thực tế, họ đang áp dụng nhiều loại chip nhỏ khác nhau trong một sản phẩm. Không giống như các lĩnh vực máy tính và điện toán, ngành công nghiệp ô tô có nhiều ứng dụng đa dạng hơn.
Chen: Hơn nữa, những con chip này không cần phải được lắp đặt bên cạnh động cơ nên điều kiện môi trường tương đối tốt hơn.
Kelly: Nhiệt độ môi trường trong xe hơi khá cao. Do đó, ngay cả khi công suất của chip không đặc biệt cao, ngành công nghiệp ô tô vẫn phải đầu tư một số tiền vào các giải pháp quản lý nhiệt tốt và thậm chí có thể cân nhắc sử dụng indium TIM (vật liệu giao diện nhiệt) vì điều kiện môi trường rất khắc nghiệt.
Thời gian đăng: 28-04-2025