Yarı iletken paketleme, geleneksel 1 boyutlu PCB tasarımlarından, wafer seviyesinde en son teknoloji ürünü 3 boyutlu hibrit bağlamaya kadar evrim geçirmiştir. Bu gelişme, yüksek enerji verimliliğini korurken, tek haneli mikron aralığında ara bağlantı aralığı ve 1000 GB/s'ye kadar bant genişliği sağlar. Gelişmiş yarı iletken paketleme teknolojilerinin temelinde, 2.5 boyutlu paketleme (bileşenlerin ara bir katman üzerinde yan yana yerleştirildiği) ve 3 boyutlu paketleme (aktif çiplerin dikey olarak üst üste istiflenmesini içeren) yer almaktadır. Bu teknolojiler, yüksek performanslı bilgi işlem (HPC) sistemlerinin geleceği için çok önemlidir.
2.5D paketleme teknolojisi, her birinin kendine özgü avantaj ve dezavantajları olan çeşitli ara katman malzemelerini içerir. Tamamen pasif silikon levhalar ve yerelleştirilmiş silikon köprüler de dahil olmak üzere silikon (Si) ara katmanları, en ince kablolama yeteneklerini sağlamalarıyla bilinir ve bu da onları yüksek performanslı bilgi işlem için ideal kılar. Bununla birlikte, malzeme ve üretim açısından maliyetlidirler ve paketleme alanında sınırlamalarla karşılaşırlar. Bu sorunları hafifletmek için, alan kısıtlamalarını ele alırken ince işlevselliğin kritik olduğu yerlerde silikonu stratejik olarak kullanan yerelleştirilmiş silikon köprülerin kullanımı artmaktadır.
Fan-out kalıplama yöntemiyle üretilen plastikler kullanan organik ara katmanlar, silikona göre daha uygun maliyetli bir alternatiftir. Daha düşük dielektrik sabitine sahip olmaları, paket içindeki RC gecikmesini azaltır. Bu avantajlara rağmen, organik ara katmanlar, silikon tabanlı paketleme ile aynı düzeyde ara bağlantı özelliği azaltımı sağlamakta zorlanmakta ve bu da yüksek performanslı bilgi işlem uygulamalarında benimsenmelerini sınırlamaktadır.
Özellikle Intel'in yakın zamanda cam tabanlı test aracı paketleme teknolojisini piyasaya sürmesinin ardından, cam ara katmanlar önemli bir ilgi görmeye başladı. Cam, ayarlanabilir termal genleşme katsayısı (CTE), yüksek boyutsal kararlılık, pürüzsüz ve düz yüzeyler ve panel üretimini destekleme yeteneği gibi çeşitli avantajlar sunarak, silikonla karşılaştırılabilir kablolama yeteneklerine sahip ara katmanlar için umut vadeden bir aday haline geliyor. Bununla birlikte, teknik zorlukların yanı sıra, cam ara katmanların en büyük dezavantajı, olgunlaşmamış ekosistem ve mevcut büyük ölçekli üretim kapasitesinin eksikliğidir. Ekosistem olgunlaştıkça ve üretim kapasiteleri geliştikçe, yarı iletken paketlemede cam tabanlı teknolojiler daha fazla büyüme ve benimsenme görebilir.
3D paketleme teknolojisi açısından, bakır-bakır bağlantı noktası içermeyen hibrit bağlama, önde gelen yenilikçi bir teknoloji haline geliyor. Bu gelişmiş teknik, dielektrik malzemeleri (SiO2 gibi) gömülü metallerle (bakır) birleştirerek kalıcı bağlantılar elde eder. Bakır-bakır hibrit bağlama, tipik olarak tek haneli mikron aralığında, 10 mikronun altında aralıklar elde edebilir; bu da yaklaşık 40-50 mikronluk bağlantı noktası aralıklarına sahip geleneksel mikro bağlantı noktası teknolojisine göre önemli bir gelişmeyi temsil eder. Hibrit bağlamanın avantajları arasında artırılmış G/Ç, gelişmiş bant genişliği, iyileştirilmiş 3D dikey istifleme, daha iyi güç verimliliği ve alt dolgu olmaması nedeniyle azaltılmış parazitik etkiler ve termal direnç yer almaktadır. Bununla birlikte, bu teknolojinin üretimi karmaşıktır ve maliyetleri daha yüksektir.
2.5D ve 3D paketleme teknolojileri çeşitli paketleme tekniklerini kapsar. 2.5D paketlemede, ara katman malzemelerinin seçimine bağlı olarak, yukarıdaki şekilde gösterildiği gibi silikon bazlı, organik bazlı ve cam bazlı ara katmanlar olarak sınıflandırılabilir. 3D paketlemede, mikro-çıkıntı teknolojisinin geliştirilmesi, aralık boyutlarını azaltmayı amaçlar, ancak günümüzde hibrit bağlama teknolojisi (doğrudan Cu-Cu bağlantı yöntemi) benimsenerek tek haneli aralık boyutları elde edilebilmekte ve bu da alanda önemli bir ilerlemeyi işaret etmektedir.
**Takip Edilmesi Gereken Önemli Teknolojik Trendler:**
1. **Daha Büyük Ara Katman Alanları:** IDTechEx daha önce, silikon ara katmanlarının 3x retikül boyut sınırını aşmasının zorluğu nedeniyle, 2.5D silikon köprü çözümlerinin yakında yüksek performanslı bilgi işlem (HPC) çiplerinin paketlenmesinde birincil tercih olarak silikon ara katmanlarının yerini alacağını öngörmüştü. TSMC, NVIDIA ve Google ve Amazon gibi diğer önde gelen HPC geliştiricileri için 2.5D silikon ara katmanlarının önemli bir tedarikçisidir ve şirket yakın zamanda 3.5x retikül boyutuna sahip birinci nesil CoWoS_L'nin seri üretimini duyurdu. IDTechEx, bu trendin devam etmesini bekliyor ve raporunda önemli oyuncuları kapsayan daha fazla gelişmeyi ele alıyor.
2. **Panel Seviyesinde Paketleme:** 2024 Tayvan Uluslararası Yarı İletken Fuarı'nda da vurgulandığı gibi, panel seviyesinde paketleme önemli bir odak noktası haline geldi. Bu paketleme yöntemi, daha büyük ara katmanların kullanımına olanak tanır ve aynı anda daha fazla paket üreterek maliyetleri düşürmeye yardımcı olur. Potansiyeline rağmen, bükülme yönetimi gibi zorlukların hala ele alınması gerekiyor. Artan önemi, daha büyük ve daha uygun maliyetli ara katmanlara olan artan talebi yansıtıyor.
3. **Cam Ara Katmanlar:** Cam, silikona benzer ince kablolama elde etmek için güçlü bir aday malzeme olarak ortaya çıkıyor ve ayarlanabilir CTE ve daha yüksek güvenilirlik gibi ek avantajlar sunuyor. Cam ara katmanlar ayrıca panel seviyesinde paketleme ile uyumludur ve daha yönetilebilir maliyetlerle yüksek yoğunluklu kablolama potansiyeli sunarak geleceğin paketleme teknolojileri için umut vadeden bir çözüm haline geliyor.
4. **HBM Hibrit Bağlama:** 3 boyutlu bakır-bakır (Cu-Cu) hibrit bağlama, çipler arasında ultra ince aralıklı dikey bağlantılar elde etmek için önemli bir teknolojidir. Bu teknoloji, yığılmış SRAM ve CPU'lar için AMD EPYC ve I/O yongaları üzerinde CPU/GPU bloklarını yığmak için MI300 serisi de dahil olmak üzere çeşitli üst düzey sunucu ürünlerinde kullanılmıştır. Hibrit bağlamanın, özellikle 16-Hi veya 20-Hi katmanı aşan DRAM yığınları için gelecekteki HBM gelişmelerinde çok önemli bir rol oynaması beklenmektedir.
5. **Birlikte Paketlenmiş Optik Cihazlar (CPO):** Daha yüksek veri aktarım hızı ve güç verimliliğine yönelik artan talep ile optik ara bağlantı teknolojisi önemli ölçüde ilgi görmüştür. Birlikte paketlenmiş optik cihazlar (CPO), G/Ç bant genişliğini artırmak ve enerji tüketimini azaltmak için önemli bir çözüm haline gelmektedir. Geleneksel elektriksel iletime kıyasla, optik iletişim, uzun mesafelerde daha düşük sinyal zayıflaması, azaltılmış çapraz konuşma hassasiyeti ve önemli ölçüde artırılmış bant genişliği dahil olmak üzere çeşitli avantajlar sunmaktadır. Bu avantajlar, CPO'yu veri yoğun, enerji verimli yüksek performanslı bilgi işlem (HPC) sistemleri için ideal bir seçim haline getirmektedir.
**Takip Edilmesi Gereken Önemli Piyasalar:**
2.5D ve 3D paketleme teknolojilerinin gelişimini yönlendiren birincil pazar şüphesiz yüksek performanslı bilgi işlem (HPC) sektörüdür. Bu gelişmiş paketleme yöntemleri, Moore Yasası'nın sınırlamalarının üstesinden gelmek için çok önemlidir ve tek bir paket içinde daha fazla transistör, bellek ve ara bağlantıya olanak tanır. Çiplerin ayrıştırılması ayrıca, G/Ç bloklarını işlem bloklarından ayırmak gibi farklı fonksiyonel bloklar arasında işlem düğümlerinin optimum kullanımına olanak tanıyarak verimliliği daha da artırır.
Yüksek performanslı bilgi işlem (HPC) alanına ek olarak, diğer pazarların da gelişmiş paketleme teknolojilerinin benimsenmesiyle büyüme kaydetmesi bekleniyor. 5G ve 6G sektörlerinde, anten paketleme ve son teknoloji çip çözümleri gibi yenilikler, kablosuz erişim ağı (RAN) mimarilerinin geleceğini şekillendirecek. Otonom araçlar da bu teknolojilerden faydalanacak, çünkü bu teknolojiler sensör paketlerinin ve bilgi işlem birimlerinin entegrasyonunu destekleyerek büyük miktarda veriyi işlerken güvenlik, güvenilirlik, kompaktlık, güç ve ısı yönetimi ve maliyet etkinliği sağlıyor.
Tüketici elektroniği (akıllı telefonlar, akıllı saatler, AR/VR cihazları, PC'ler ve iş istasyonları dahil) maliyete daha fazla önem verilmesine rağmen, giderek daha küçük alanlarda daha fazla veri işlemeye odaklanmaktadır. Gelişmiş yarı iletken paketleme, bu trendde önemli bir rol oynayacak olsa da, paketleme yöntemleri yüksek performanslı bilgi işlemde kullanılanlardan farklı olabilir.
Yayın tarihi: 07.10.2024