Усовершенствованная упаковка чипов: как производители могут играть на победу

Полупроводниковые пластины – основа интегральных схем, столь важных для большинства современных технологий. Упаковка пластин — металлическая, пластиковая, керамическая или стеклянная — соединяет их с окружающей средой и защищает от химического загрязнения и повреждений от света, тепла и ударов. По сравнению с начальным процессом проектирования и изготовления пластин, конечный процесс упаковки недооценивается по двум причинам: во-первых, все еще возможно упаковывать пластины, используя оборудование старого поколения. Во-вторых, упаковка в основном осуществляется сторонними компаниями по сборке и тестированию полупроводников (OSAT), которые конкурируют в основном за счет низких затрат на рабочую силу, а не за счет других источников дифференциации.

Эта модель может измениться с появлением усовершенствованной упаковки, в которой используются сложные технологии и объединяются компоненты из различных пластин, создавая единое электронное устройство с превосходными характеристиками. Представленная примерно в 2000 году усовершенствованная упаковка в настоящее время набирает обороты как следующий прорыв в полупроводниковой технологии.

Усовершенствованная упаковка помогает удовлетворить спрос на полупроводники, на которых работают новые приложения, которые сейчас становятся массовыми, например, 5G, автономные транспортные средства и другие технологии Интернета вещей, а также виртуальная и дополненная реальность. Эти приложения требуют высокопроизводительных микросхем с низким энергопотреблением, которые могут быстро обрабатывать огромные объемы данных. Несмотря на закон Мура, который в 1965 году утверждал, что количество транзисторов в микрочипе будет удваиваться каждые пару лет, развитие узлов сейчас достигает своих пределов. В результате технический прогресс в производстве микросхем замедляется, а экономически жизнеспособный максимальный размер кристалла и, следовательно, его производительность становятся все более ограниченными. Новые подходы в серверной технологии, объединяющие несколько чипов, предлагают многообещающее решение. Передовые методы упаковки, появившиеся за последние два десятилетия, в том числе 2,5-D, 3-D, разветвленная упаковка и упаковка системы на кристалле (SoC), обещают заполнить пустоту, дополняя технологию соединения проводов. и технологии флип-чипов предыдущей половины столетия.

Поскольку передовая упаковка предлагает более ценные возможности, чем традиционная задняя упаковка, крупные игроки и быстрые последователи (организации, которые имитируют инновации конкурентов) разрабатывают и коммерциализируют различные формы технологии, чтобы привлечь премиальных клиентов. В этой статье мы описываем, как развивается рынок, и предлагаем, как производители могут воспользоваться открывающимися возможностями.

Три основные передовые технологии упаковки стали коммерчески доступными с 2000 года, дополняя две технологии, преобладавшие в течение предыдущей половины столетия (Иллюстрация 1).

Технология проводного соединения, разработанная в 1950-х годах и используемая до сих пор, представляет собой метод соединения, при котором печатная плата (PCB) прикрепляется к кристаллу (кремниевому квадрату, содержащему интегральную схему), с помощью шариков припоя и тонких металлических проводов. Он требует меньше места, чем упакованные чипы, и может соединять относительно удаленные точки, но может выйти из строя при высоких температурах, высокой влажности и циклических изменениях температуры, а каждая связь должна формироваться последовательно, что усложняет процесс и может замедлить производство. Ожидается, что к 2031 году рынок проводных соединений будет оцениваться примерно в 16 миллиардов долларов, а среднегодовой темп роста составит 2,9 процента.

Первая крупная эволюция в технологии упаковки произошла в середине 1990-х годов с появлением перевернутых чипов, в которых используется кристалл лицевой стороной вниз, вся площадь поверхности которого используется для соединения через «выступы» припоя, которые соединяют печатную плату с кристаллом. Это приводит к меньшему форм-фактору или размеру аппаратного обеспечения и более высокой скорости распространения сигнала, то есть к более быстрому перемещению сигналов от передатчика к приемнику. Упаковка с флип-чипом является наиболее распространенной и самой дешевой технологией, используемой в настоящее время, в основном для центральных процессоров, смартфонов и радиочастотных систем в корпусе. Перевернутые чипы позволяют уменьшить размер сборки и выдерживают более высокие температуры, но их необходимо устанавливать на очень плоские поверхности, и их нелегко заменить. Текущий рынок флип-чипов составляет около 27 миллиардов долларов США, при этом прогнозируемый среднегодовой темп роста составит 6,3 процента, что должно довести его до 45 миллиардов долларов к 2030 году. столб, удары припоя) и регион — прогноз до 2030 года», Straits Research, по состоянию на 2 апреля 2023 года.