Quo vadis, elektroniko, a rostoucí význam pouzdření čipů

Polovodičový průmysl zaznamenává v posledních letech neustávající růst, jehož hnací silou jsou nejen chytré telefony, ale i systémy pro zpracování a zobrazování dat uplatňující se v řadě průmyslových odvětví (automobilový průmysl, lékařství, spotřební elektronika, logistika atd.). To vše ještě znásobuje pátá generace bezdrátových systémů 5G a také nástup umělé inteligence.

Když se podíváme do budoucnosti, Moorův zákon, předpovídající nárůst tranzistorů na čipu, se bude stále více zpomalovat, protože další snižování rozlišení na čipu pod 5 nm je velmi nákladné a vyžaduje značné investice, což není pro řadu firem z oblasti polovodičového průmyslu ekonomicky akceptovatelné. A právě zde lze hledat důvod, proč se pouzdření stává účinným nástrojem vedoucím ke zvýšení výkonu a šířky pásma elektronických obvodů a systémů.

V současné době se používá mnoho typů pouzder, od těch standardních, relativně jednoduchých (SOT, SOIC, QFP, BGA, QFN atd.), až po ty nejsložitější (CSP, WLP, SOP, SOC atd.). A právě v této druhé skupině se objevují stále více zakázkové typy pouzder, převážně v provedení SiP (System in Package), vyráběné podle konkrétního požadasvku zákazníka. Tak vznikají ve světě firmy nabízející pouzdření na zakázku, jež jsou označovány OSAT (Outsourced Semiconductor Assembly and Test), a lze přitom konstatovat, že jejich podíl na trhu neustále roste. Na obr. 1 je uvedeno, dle údajů společnosti Yole Development zabývající se průzkumem trhu a konzultačními strategiemi, pět společností OSAT s nejvyšším obratem ve světě, uvedeným v miliardách USD.

V počátcích integrace, před několika desítkami let, byl kladen důraz především na samotný polovodičový čip, kde se neustále snižovalo rozlišení, řádově od μm až k nm. Tím se s postupem času kumulovalo na čipu stále více funkcí, až nastala situace, že čipy začaly být složité a také drahé. Aby zde zůstal zachován výhodný poměr cena/výkon a také zkrácena doba uvedení na trh, nabídlo se řešení v podobě rozdělení funkcí daného obvodu na více čipů a jejich následné zapouzdření do jednoho pouzdra. Takové pouzdro pak má heterogenní charakter a musí kromě ochrany čipu splňovat nejen technologické požadavky (integrované propojení a uspořádání, odvod tepla atd.), ale také požadavky elektrické (dodávku napájení a především co nejdokonalejší vedení signálu). Dnes se již používá mnoho typů pouzder typu SiP, které lze rámcově zařadit podle uspořádání čipů do provedení 2D, 2,5D a 3D.

Heterogenní integrace se tak postupně stává pro budoucnost dominantním řešením, kde elektronický systém v jediném pouzdře, majícím uspořádání 2,5D nebo 3D, minimalizuje vlivy přechodu signálu z čipu na substrát. Přitom existuje celá řada možností, jako například na mezisubstrátu připojené konfigurace CoW (Chip on Wafer) nebo WoW (Wafer on Wafer) [1], [2], [3].

Taková řešení však s sebou přinášejí i nutnost zvládat nově vznikající technologické problémy, jako je odvod tepla, rostoucí hodnoty proudů a s tím související možnosti vzniku elektromigrace atd. Aktuální oblastí je rovněž řešení připojování samotných polovodičových čipů, kde pravděpodobně i nadále bude mít své místo doposud rozšířený způsob propojování čistě měděnými nebo postříbřenými měděnými mikrodrátky (Wire Bonding), jenž umožňuje dobrou flexibilitu připojení. Dalším způsobem připojování čipů je provedení Flip Chip, ale ve vývoji jsou i další propojovací technologie, jako například termokompresní lepení. I zde je však nezbytné vyřešit řadu problémů spojených se spolehlivostí, jako je například kontaminace a koplanarita, která se stává kritickým parametrem v souvislosti s rostoucím počtem vývodů na čipu, který dosahuje až několik tisíc spojů.

Z uvedeného je patrné, že pouzdření v elektronice nabývá s postupem doby neustále většího významu. Vliv pouzdra na výkon a základní funkčnost polovodičových čipů se tak stává jedním z kritických faktorů, který musí být brán v úvahu již při samotném návrhu elektronických obvodů a systémů. Tato skutečnost tak opodstatňuje další prudký vývoj elektronického průmyslu provázený zaváděním nových technologií, u nichž je nastoupená cesta heterogenní integrace moderních elektronických obvodů a systémů nevyhnutelná.

Odkazy:

[1] https://semiengineering.com/knowledge_centers/packaging/advanced-packaging/

[2] https://ase.aseglobal.com/en/technology/sip_module

[3] https://amkor.com/technology/system-in-package/

[4] www.imaps.org