Tuttavia, la produzione di questi package ad alte prestazioni richiede un'attenta selezione dei materiali, un rigoroso controllo dei processi e una continua innovazione nelle tecniche di produzione dei package. L'ultimo rapporto IDTechEx, "Materials and Processes for Advanced Semiconductor Packages 2027–2037: Technologies, Players, and Forecasts", analizza queste sfide in relazione ai materiali e ai flussi di processo per i package 2.5D, tra cui silicio, materiali organici e vetro, nonché giunzioni ibride Cu-Cu per l'integrazione 3D. Il rapporto fornisce anche previsioni a 10 anni per i moduli di package per semiconduttori avanzati basati su dielettrici organici e vetro, coprendo sia le proiezioni per unità che per superficie.

Materiali per interposer 2.5D:
Nel packaging 2.5D, i vari chiplet sono interconnessi orizzontalmente tramite interposer, per i quali si considerano principalmente tre materiali: silicio (Si), materiali organici e vetro. Gli interposer in silicio rappresentano lo standard industriale per il calcolo ad alte prestazioni (HPC) grazie alla loro capacità di supportare un instradamento preciso, ma il loro costo elevato e le limitazioni di area del package costituiscono una sfida. Per ovviare a questi problemi, i ponti in silicio localizzati rappresentano il passo successivo. Gli interposer organici offrono un'alternativa economicamente vantaggiosa, in particolare con il packaging a livello di pannello fan-out (FOPLP), che aumenta l'utilizzo dell'area e riduce i costi fino al 60%. Tuttavia, ottenere un instradamento preciso simile a quello del silicio rimane difficile.

Gli interposer in vetro, o substrati con anima in vetro (GCS), hanno il potenziale per supportare un'elevata densità di routing, fornire una buona stabilità dimensionale, ridurre la deformazione nei package di grandi dimensioni, offrire un coefficiente di dilatazione termica regolabile e consentire prestazioni elettriche a bassa perdita, tra gli altri vantaggi. È importante sottolineare che il vetro è anche compatibile con la lavorazione a livello di pannello, il che lo rende interessante man mano che le dimensioni dei package continuano ad aumentare per i chip AI e HPC. Tuttavia, rimangono diverse sfide produttive, tra cui il controllo del processo e il miglioramento delle prestazioni nella formazione dei via e nella metallizzazione attraverso il vetro, la gestione di pannelli di grandi dimensioni, la rottura del vetro e i problemi di affidabilità meccanica, la pulizia e il controllo della contaminazione, e altro ancora. Mitigare i guasti nei substrati di vetro richiede l'ottimizzazione a livello di progettazione, materiali e processi, piuttosto che una soluzione una tantum. Pertanto, sebbene il vetro offra un grande potenziale come piattaforma di materiali scalabile, la sua adozione dipenderà dalla capacità dell'ecosistema produttivo di affrontare queste sfide su larga scala.

In generale, con l'evoluzione dell'ecosistema, ogni materiale apporta i propri vantaggi e le proprie sfide all'incapsulamento 2.5D, concentrandosi sul bilanciamento tra prestazioni, scalabilità e costi.

Incollaggio ibrido Cu-Cu:
l'incollaggio ibrido wafer-to-wafer (W2W) e chip-to-wafer (D2W) sono due approcci chiave all'incollaggio ibrido 3D, ognuno con vantaggi e sfide distinti. L'incollaggio W2W, il processo più consolidato, prevede l'unione di due wafer completi, in genere in un unico passaggio uniforme. Questo approccio beneficia di una superficie uniforme, che semplifica l'allineamento e l'incollaggio. Poiché i wafer mantengono sempre una forma rotonda, il processo può essere ottimizzato per un'elevata produttività, rendendolo adatto alla produzione su larga scala. Tuttavia, l'incollaggio W2W è meno flessibile nella gestione di chip di dimensioni diverse ed è limitato dalla necessità di incollare wafer identici.

D'altro canto, il bonding ibrido D2W è più complesso e supera i limiti del bonding W2W quando si lavora con chip ad alte prestazioni di diverse dimensioni. Invece di incollare interi wafer, il D2W prevede l'incollaggio preciso di singoli chip su un wafer di destinazione, consentendo l'integrazione di chip di diverse dimensioni e tipologie in un unico package. Questa flessibilità rende il bonding D2W ideale per tecniche di packaging avanzate, come l'integrazione di chiplet, permettendo ai produttori di combinare chip con funzioni diverse. Tuttavia, il bonding D2W presenta significative sfide produttive. Richiede superfici ultra-pulite e prive di particelle e un allineamento preciso, poiché qualsiasi contaminazione o disallineamento può causare difetti che compromettono significativamente la qualità del bonding.
Inoltre, il bonding D2W introduce complicazioni legate al rapporto d'aspetto dei chip. I chip con rapporti d'aspetto più elevati possono causare problemi di bonding unilaterale, in cui il fronte di bonding inizia lungo un lato, con conseguente potenziale effetto di scalatura. L'uso di supporti organici flessibili o adesivi durante il taglio dei chip complica ulteriormente il processo. Inoltre, l'incollaggio D2W è più sensibile ai tempi di attesa, che possono compromettere la qualità della superficie prima che avvenga l'incollaggio.

Nonostante queste difficoltà, la flessibilità e la precisione della giunzione D2W stanno diventando sempre più cruciali per le applicazioni ad alte prestazioni, mentre stanno emergendo strumenti di giunzione ibridi integrati per superare molti di questi ostacoli.

Materiali per l'interfaccia termica per il packaging avanzato dei semiconduttori di nuova generazione:
la gestione termica è un aspetto critico anche nel packaging avanzato dei semiconduttori. Nei package 2.5D, i chip logici ad alta potenza e gli stack HBM sono posizionati fianco a fianco sotto lo stesso dissipatore di calore, aumentando la potenza complessiva del package e creando punti caldi localizzati. Nel packaging 3D, la sfida è ancora più complessa, poiché i chip impilati verticalmente possono creare fonti di calore nascoste con percorsi di dissipazione termica limitati.

Ciò accresce l'importanza dei materiali di interfaccia termica (TIM) per i package 2.5D e 3D. La scelta del TIM è determinata da diversi fattori, tra cui la resistenza termica, la conduttività termica del materiale, l'affidabilità meccanica, la qualità dei contatti, la facilità di test, il costo e la compatibilità con la produzione su larga scala.
Sono in fase di studio diverse soluzioni TIM1 e TIM1.5, tra cui paste termiche a base polimerica, TIM metallici solidi come fogli di indio, metalli liquidi e materiali a base di grafene. Il report IDTechEx esamina la potenziale roadmap per i TIM nel packaging avanzato dei semiconduttori, le considerazioni chiave per la selezione dei materiali, i materiali candidati e i relativi casi d'uso.

Il rapporto include previsioni a 10 anni per i moduli di packaging avanzato per semiconduttori con dielettrici organici e a base di vetro, che coprono sia le spedizioni unitarie che la superficie totale dei moduli. Le previsioni valutano l'adozione negli acceleratori di intelligenza artificiale, nelle CPU per server, nei chip ADAS per veicoli autonomi e nell'elettronica di consumo, con particolare enfasi sulla crescente importanza delle piattaforme di packaging avanzato di grandi dimensioni nelle applicazioni di intelligenza artificiale e calcolo ad alte prestazioni (HPC).