L'industria dei chip per l'automotive sta subendo cambiamenti
Di recente, il team di ingegneria dei semiconduttori ha discusso di piccoli chip, legami ibridi e nuovi materiali con Michael Kelly, Vicepresidente per l'integrazione di piccoli chip e FCBGA di Amkor. Hanno partecipato alla discussione anche il ricercatore ASE William Chen, l'amministratore delegato di Promex Industries Dick Otte e Sander Roosendaal, Direttore R&S di Synopsys Photonics Solutions. Di seguito alcuni estratti di questa discussione.
Per molti anni, lo sviluppo di chip per il settore automobilistico non ha assunto un ruolo di primo piano nel settore. Tuttavia, con l'avvento dei veicoli elettrici e lo sviluppo di sistemi di infotainment avanzati, la situazione è cambiata radicalmente. Quali problematiche ha riscontrato?
Kelly: I sistemi ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) di fascia alta richiedono processori con processo a 5 nanometri o inferiori per essere competitivi sul mercato. Una volta avviato il processo a 5 nanometri, è necessario considerare i costi dei wafer, il che porta a valutare attentamente soluzioni a chip di piccole dimensioni, poiché è difficile produrre chip di grandi dimensioni con il processo a 5 nanometri. Inoltre, la resa è bassa, con conseguenti costi estremamente elevati. Quando si lavora con processi a 5 nanometri o più avanzati, i clienti in genere valutano la possibilità di selezionare una porzione del chip a 5 nanometri piuttosto che utilizzarlo interamente, aumentando al contempo gli investimenti nella fase di packaging. Potrebbero pensare: "Sarebbe un'opzione più conveniente raggiungere le prestazioni richieste in questo modo, piuttosto che cercare di completare tutte le funzioni in un chip più grande?". Quindi, sì, le aziende automobilistiche di fascia alta stanno sicuramente prestando attenzione alla tecnologia a chip di piccole dimensioni. Le aziende leader del settore stanno monitorando attentamente la situazione. Rispetto al settore informatico, l'industria automobilistica è probabilmente indietro di 2-4 anni nell'applicazione della tecnologia a chip di piccole dimensioni, ma la tendenza per la sua applicazione nel settore automobilistico è chiara. L'industria automobilistica ha requisiti di affidabilità estremamente elevati, quindi l'affidabilità della tecnologia a chip piccolo deve essere dimostrata. Tuttavia, l'applicazione su larga scala della tecnologia a chip piccolo nel settore automobilistico è certamente in arrivo.
Chen: Non ho notato ostacoli significativi. Credo che si tratti più che altro della necessità di apprendere e comprendere a fondo i requisiti di certificazione pertinenti. Questo ci riporta al livello metrologico. Come possiamo produrre pacchetti che soddisfino i severissimi standard del settore automobilistico? Ma è certo che la tecnologia in questione è in continua evoluzione.
Considerati i numerosi problemi termici e le complessità associate ai componenti multi-die, ci saranno nuovi profili di stress test o diverse tipologie di test? Gli attuali standard JEDEC possono coprire questi sistemi integrati?
Chen: Credo che sia necessario sviluppare metodi diagnostici più completi per identificare chiaramente la fonte dei guasti. Abbiamo discusso della possibilità di combinare metrologia e diagnostica e abbiamo la responsabilità di capire come costruire package più robusti, utilizzare materiali e processi di qualità superiore e validarli.
Kelly: Oggigiorno, conduciamo casi di studio con clienti che hanno imparato qualcosa dai test a livello di sistema, in particolare i test di impatto termico nei test funzionali delle schede, che non sono trattati nei test JEDEC. I test JEDEC sono semplicemente test isotermici, che includono "aumento, diminuzione e transizione di temperatura". Tuttavia, la distribuzione della temperatura nei package reali è ben lontana da quella che si verifica nel mondo reale. Sempre più clienti desiderano eseguire test a livello di sistema in anticipo perché comprendono questa situazione, sebbene non tutti ne siano consapevoli. Anche la tecnologia di simulazione gioca un ruolo importante in questo. Se si è esperti nella simulazione combinata termomeccanica, analizzare i problemi diventa più facile perché si sa su quali aspetti concentrarsi durante i test. I test a livello di sistema e la tecnologia di simulazione si completano a vicenda. Tuttavia, questa tendenza è ancora agli inizi.
Ci sono più problemi termici da affrontare nei nodi tecnologici maturi rispetto al passato?
Otte: Sì, ma negli ultimi due anni i problemi di complanarità sono diventati sempre più evidenti. Su un chip sono presenti da 5.000 a 10.000 pilastri di rame, distanziati tra loro tra 50 e 127 micron. Esaminando attentamente i dati rilevanti, si scopre che posizionare questi pilastri di rame sul substrato ed eseguire le operazioni di riscaldamento, raffreddamento e saldatura a rifusione richiede una precisione di complanarità di circa una parte su centomila. Una precisione di una parte su centomila è come trovare un filo d'erba lungo quanto un campo da calcio. Abbiamo acquistato alcuni strumenti Keyence ad alte prestazioni per misurare la planarità del chip e del substrato. Naturalmente, la domanda che ne consegue è: come controllare questo fenomeno di deformazione durante il ciclo di saldatura a rifusione? Si tratta di un problema urgente che deve essere affrontato.
Chen: Ricordo le discussioni sul Ponte Vecchio, in cui si utilizzava la saldatura a bassa temperatura per considerazioni di assemblaggio piuttosto che per motivi di prestazioni.
Dato che tutti i circuiti nelle vicinanze presentano ancora problemi termici, come si dovrebbe integrare la fotonica in tutto questo?
Roosendaal: È necessario condurre una simulazione termica per tutti gli aspetti, ed è necessaria anche l'estrazione ad alta frequenza, poiché i segnali in ingresso sono segnali ad alta frequenza. Pertanto, è necessario affrontare questioni come l'adattamento di impedenza e la corretta messa a terra. Possono esserci gradienti di temperatura significativi, che possono esistere all'interno della matrice stessa o tra quella che chiamiamo matrice "E" (matrice elettrica) e matrice "P" (matrice fotonica). Sono curioso di sapere se è necessario approfondire le caratteristiche termiche degli adesivi.
Ciò solleva discussioni sui materiali di legame, sulla loro selezione e sulla loro stabilità nel tempo. È evidente che la tecnologia di legame ibrido è stata applicata nel mondo reale, ma non è ancora stata utilizzata per la produzione di massa. Qual è lo stato attuale di questa tecnologia?
Kelly: Tutti gli attori della catena di fornitura stanno prestando attenzione alla tecnologia di bonding ibrido. Attualmente, questa tecnologia è principalmente guidata dalle fonderie, ma anche le aziende OSAT (Outsourced Semiconductor Assembly and Test) ne stanno studiando attentamente le applicazioni commerciali. I classici componenti con bonding dielettrico ibrido in rame sono stati sottoposti a validazione a lungo termine. Se è possibile controllare la pulizia, questo processo può produrre componenti molto robusti. Tuttavia, i requisiti di pulizia sono estremamente elevati e i costi delle apparecchiature sono molto elevati. Abbiamo sperimentato i primi tentativi di applicazione nella linea di prodotti Ryzen di AMD, dove la maggior parte delle SRAM utilizzava la tecnologia di bonding ibrido in rame. Tuttavia, non ho visto molti altri clienti applicare questa tecnologia. Sebbene sia sulla roadmap tecnologica di molte aziende, sembra che ci vorranno ancora alcuni anni prima che le relative suite di apparecchiature soddisfino i requisiti di pulizia indipendenti. Se può essere applicata in un ambiente di fabbrica con un livello di pulizia leggermente inferiore rispetto a una tipica fabbrica di wafer e se si possono ottenere costi inferiori, allora forse questa tecnologia riceverà maggiore attenzione.
Chen: Secondo le mie statistiche, alla conferenza ECTC del 2024 saranno presentati almeno 37 articoli sull'incollaggio ibrido. Si tratta di un processo che richiede molta competenza e comporta un notevole numero di operazioni di precisione durante l'assemblaggio. Quindi questa tecnologia troverà sicuramente un'applicazione diffusa. Esistono già alcuni casi applicativi, ma in futuro diventerà più diffusa in diversi settori.
Quando parla di "operazioni di qualità", si riferisce alla necessità di ingenti investimenti finanziari?
Chen: Certo, richiede tempo e competenze. Eseguire questa operazione richiede un ambiente estremamente pulito, che richiede un investimento finanziario. Richiede anche attrezzature correlate, che a loro volta richiedono finanziamenti. Quindi questo comporta non solo costi operativi, ma anche investimenti in strutture.
Kelly: Nei casi con una spaziatura di 15 micron o superiore, vi è un notevole interesse nell'utilizzo della tecnologia wafer-to-wafer a pilastri di rame. Idealmente, i wafer sono piatti e le dimensioni dei chip non sono molto grandi, consentendo una rifusione di alta qualità per alcune di queste spaziature. Sebbene ciò presenti alcune sfide, è molto meno costoso rispetto all'adozione della tecnologia di saldatura ibrida in rame. Tuttavia, se il requisito di precisione è di 10 micron o inferiore, la situazione cambia. Le aziende che utilizzano la tecnologia di impilamento dei chip raggiungeranno spaziature a una sola cifra micrometrica, come 4 o 5 micron, e non ci sono alternative. Pertanto, la tecnologia in questione è inevitabilmente destinata a svilupparsi. Tuttavia, anche le tecnologie esistenti sono in continuo miglioramento. Quindi ora ci stiamo concentrando sui limiti a cui i pilastri di rame possono estendersi e sulla durata di questa tecnologia abbastanza a lungo da consentire ai clienti di rinviare tutti gli investimenti di progettazione e sviluppo di "qualificazione" nella vera tecnologia di saldatura ibrida in rame.
Chen: Adotteremo tecnologie rilevanti solo quando ce ne sarà richiesta.
Ci sono attualmente molti nuovi sviluppi nel campo dei composti epossidici per stampaggio?
Kelly: I composti per stampaggio hanno subito cambiamenti significativi. Il loro CTE (coefficiente di dilatazione termica) è stato notevolmente ridotto, rendendoli più adatti ad applicazioni rilevanti dal punto di vista della pressione.
Otte: Tornando alla nostra discussione precedente, quanti chip semiconduttori vengono attualmente prodotti con una spaziatura di 1 o 2 micron?
Kelly: Una percentuale significativa.
Chen: Probabilmente meno dell'1%.
Otte: Quindi la tecnologia di cui stiamo parlando non è diffusa. Non è ancora in fase di ricerca, dato che le aziende leader la stanno effettivamente applicando, ma è costosa e ha bassi rendimenti.
Kelly: Questa tecnologia viene applicata principalmente al calcolo ad alte prestazioni. Oggigiorno, viene utilizzata non solo nei data center, ma anche nei PC di fascia alta e persino in alcuni dispositivi palmari. Sebbene questi dispositivi siano relativamente piccoli, offrono comunque prestazioni elevate. Tuttavia, nel contesto più ampio dei processori e delle applicazioni CMOS, la sua quota rimane relativamente ridotta. Per i normali produttori di chip, non è necessario adottare questa tecnologia.
Otte: Ecco perché è sorprendente vedere questa tecnologia entrare nel settore automobilistico. Le auto non hanno bisogno di chip estremamente piccoli. Possono rimanere a 20 o 40 nanometri, poiché il costo per transistor nei semiconduttori è più basso con questo processo.
Kelly: Tuttavia, i requisiti computazionali per i sistemi ADAS o la guida autonoma sono gli stessi di quelli per i PC con intelligenza artificiale o dispositivi simili. Pertanto, l'industria automobilistica deve investire in queste tecnologie all'avanguardia.
Se il ciclo di vita del prodotto è di cinque anni, l'adozione di nuove tecnologie potrebbe prolungare il vantaggio per altri cinque anni?
Kelly: È un'osservazione molto ragionevole. L'industria automobilistica ha un'altra prospettiva. Si considerino semplici servocomandi o dispositivi analogici relativamente semplici, presenti sul mercato da 20 anni e a bassissimo costo. Utilizzano chip di piccole dimensioni. Chi lavora nel settore automobilistico desidera continuare a utilizzare questi prodotti. Desidera investire solo in dispositivi di elaborazione di fascia alta con chip digitali di piccole dimensioni ed eventualmente abbinarli a chip analogici, memorie flash e chip RF a basso costo. Per loro, il modello a chip piccolo ha molto senso perché possono mantenere molti componenti di vecchia generazione, economici e stabili. Non vogliono né hanno bisogno di cambiare questi componenti. Quindi, devono solo aggiungere un piccolo chip di fascia alta da 5 o 3 nanometri per svolgere le funzioni della parte ADAS. Di fatto, stanno applicando vari tipi di piccoli chip in un unico prodotto. A differenza dei PC e dell'informatica, l'industria automobilistica ha una gamma di applicazioni più diversificata.
Chen: Inoltre, questi chip non devono essere installati vicino al motore, quindi le condizioni ambientali sono relativamente migliori.
Kelly: La temperatura ambiente nelle auto è piuttosto elevata. Pertanto, anche se la potenza del chip non è particolarmente elevata, l'industria automobilistica deve investire in buone soluzioni di gestione termica e potrebbe persino prendere in considerazione l'utilizzo di TIM (materiali di interfaccia termica) in indio, poiché le condizioni ambientali sono molto difficili.
Data di pubblicazione: 28 aprile 2025