A integração ao nível do encapsulamento foi o primeiro grande avanço, seguida pela integração ao nível do wafer, que proporciona uma densidade de ligações pelo menos dez vezes superior, uma área de ocupação mais pequena adequada para aplicações com restrições de tamanho e um desempenho superior.
A integração ao nível do wafer engloba tecnologias de encapsulamento de circuitos integrados, tais como fan-on, fan-on-core, fan-on de alta densidade, 2.5D e 3D. No entanto, apenas as tecnologias de encapsulamento de semicondutores com um espaçamento entre bumps inferior a 100 µm são consideradas "avançadas". Isto inclui tecnologias de encapsulamento de circuitos integrados de alta densidade, 2.5D e 3D.
A transição da integração híbrida 2.5D para a integração vertical 3D completa é crucial para futuras aplicações centradas em dados, e este artigo irá focar-se nesta transição.
O principal desafio na transição de 2.5D para 3D é o aumento da dimensão do espaçamento entre contactos (bump pitch). Num encapsulamento de CI 2.5D, o espaçamento entre contactos varia entre 25 µm a 40 µm, dependendo do material da camada intermédia. No entanto, para um encapsulamento 3D empilhável, o espaçamento entre contactos deve ser reduzido para uma fração de µm ou mesmo para menos de 1 µm. A TSMC reportou que o espaçamento entre contactos para o empilhamento de chips N7/N6 é de 9 µm e de 6 µm para o empilhamento de chips N5. Espera-se que diminua para 4,5 µm para o empilhamento de chips N3 e continue a diminuir nas futuras gerações de circuitos integrados. Empilhar dois chips com um pequeno espaçamento entre contactos representa um desafio significativo, uma vez que é necessário um alinhamento de alta precisão dos materiais dielétricos da junção, especialmente a baixas temperaturas. Além disso, o controlo adequado dos materiais de enchimento de cobre é essencial para evitar o transbordamento durante o processo de ligação. Além disso, a gestão térmica torna-se crucial para encapsulamentos com pequenas áreas de contacto, exigindo projetos que permitam uma melhor transferência de calor e, potencialmente, tecnologias de arrefecimento líquido.
Os motores do crescimento
A IDTechEx identificou quatro áreas de aplicação principais para o encapsulamento avançado de semicondutores: computação de alto desempenho (HPC)/aplicações de data center, redes de comunicação, veículos autónomos e eletrónica de consumo. A crescente procura de processamento de dados é o principal fator de crescimento nestas áreas de aplicação. No entanto, cada aplicação tem requisitos específicos que exigem diferentes tecnologias de encapsulamento avançado de semicondutores.
Para aplicações de computação de alto desempenho (HPC) e centros de dados, a prioridade é fornecer uma capacidade de processamento de dados superior, tornando as tecnologias 2.5DIC que utilizam interpoladores ou pontes de silício a opção preferida, apesar do custo mais elevado. Em contraste, a eletrónica de consumo, como os smartphones e os smartwatches, prioriza a miniaturização e o custo, sendo as tecnologias de encapsulamento orgânico a primeira escolha.
Nas comunicações 5G e posteriores, o principal desafio é a perda de transmissão. Assim sendo, são utilizadas tecnologias avançadas de encapsulamento para aproximar a antena do chip do circuito integrado de radiofrequência (RF) e minimizar esta perda. A tecnologia "antena no encapsulamento (AiP)" é atualmente a opção mais viável para o 5G mmWave, enquanto a tecnologia "antena no chip/wafer (AoP)" continua a ser intensamente desenvolvida para reduzir os custos.
Para os futuros veículos autónomos, a integração heterogénea de CPUs e outros componentes, como HBMs e sistemas de alimentação de energia fiáveis, criará novas oportunidades para embalagens de semicondutores avançadas e inovação.
A expansão do processamento de dados é o fator unificador no crescimento de todas estas aplicações. No entanto, como os requisitos de cada área de aplicação diferem, estão a ser utilizadas tecnologias avançadas de encapsulamento de semicondutores para satisfazer necessidades específicas.
Autor: Yu-Han Chang, analista de tecnologia da IDTechEx
