תעשיית השבבים לרכב עוברת שינויים
לאחרונה, צוות הנדסת המוליכים למחצה דן בשבבים קטנים, קשירה היברידית וחומרים חדשים עם מייקל קלי, סגן נשיא השבבים הקטנים ואינטגרציית FCBGA של Amkor. כמו כן השתתפו בדיון חוקר ASE, וויליאם צ'ן, מנכ"ל Promex Industries, דיק אוטה, וסנדר רוזנדאל, מנהל מחקר ופיתוח של Synopsys Photonics Solutions. להלן קטעים מדיון זה.
במשך שנים רבות, פיתוח שבבי רכב לא תפס מקום מוביל בתעשייה. עם זאת, עם עלייתם של כלי רכב חשמליים ופיתוח מערכות מידע ובידור מתקדמות, מצב זה השתנה באופן דרמטי. אילו בעיות שמתם לב אליהן?
קלי: מערכות ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) מתקדמות דורשות מעבדים בתהליך של 5 ננומטר או פחות כדי להיות תחרותיות בשוק. ברגע שנכנסים לתהליך של 5 ננומטר, צריך לקחת בחשבון את עלויות הפרוסים, מה שמוביל לשקילה מדוקדקת של פתרונות שבבים קטנים, מכיוון שקשה לייצר שבבים גדולים בתהליך של 5 ננומטר. בנוסף, התפוקה נמוכה, וכתוצאה מכך עלויות גבוהות במיוחד. כאשר עוסקים בתהליכים של 5 ננומטר או מתקדמים יותר, לקוחות בדרך כלל שוקלים לבחור חלק מהשבב של 5 ננומטר במקום להשתמש בשבב כולו, תוך הגדלת ההשקעה בשלב האריזה. הם עשויים לחשוב, "האם זו תהיה אפשרות חסכונית יותר להשיג את הביצועים הנדרשים בדרך זו, במקום לנסות להשלים את כל הפונקציות בשבב גדול יותר?" אז כן, חברות רכב מתקדמות בהחלט שמות לב לטכנולוגיית שבבים קטנים. חברות מובילות בתעשייה עוקבות מקרוב אחר כך. בהשוואה לתחום המחשוב, תעשיית הרכב כנראה מפגרת בין 2 ל-4 שנים ביישום טכנולוגיית שבבים קטנים, אך המגמה ליישום שלה במגזר הרכב ברורה. לתעשיית הרכב דרישות אמינות גבוהות ביותר, ולכן יש להוכיח את אמינותה של טכנולוגיית השבבים הקטנים. עם זאת, יישום בקנה מידה גדול של טכנולוגיית השבבים הקטנים בתחום הרכב בהחלט בדרך.
חן: לא שמתי לב למכשולים משמעותיים. אני חושב שזה יותר עניין של צורך ללמוד ולהבין את דרישות ההסמכה הרלוונטיות לעומק. זה חוזר לרמת המטרולוגיה. איך אנחנו מייצרים חבילות שעומדות בתקני הרכב המחמירים ביותר? אבל בטוח שהטכנולוגיה הרלוונטית מתפתחת כל הזמן.
בהינתן הבעיות התרמיות הרבות והמורכבויות הכרוכות ברכיבים מרובי שבבים, האם יהיו פרופילי בדיקות מאמץ חדשים או סוגים שונים של בדיקות? האם הסטנדרטים הנוכחיים של JEDEC יכולים לכסות מערכות משולבות כאלה?
צ'ן: אני מאמין שעלינו לפתח שיטות אבחון מקיפות יותר כדי לזהות בבירור את מקור הכשלים. דנו בשילוב של מטרולוגיה עם אבחון, ויש לנו אחריות להבין כיצד לבנות חבילות חזקות יותר, להשתמש בחומרים ותהליכים באיכות גבוהה יותר, ולאמת אותם.
קלי: כיום, אנו עורכים מחקרי מקרה עם לקוחות, שלמדו משהו מבדיקות ברמת המערכת, במיוחד בדיקות השפעה על הטמפרטורה בבדיקות לוח פונקציונליות, שאינן מכוסות בבדיקות JEDEC. בדיקות JEDEC הן בסך הכל בדיקות איזותרמיות, הכוללות "עלייה, ירידה ומעבר טמפרטורה". עם זאת, התפלגות הטמפרטורה במארזים בפועל רחוקה ממה שקורה בעולם האמיתי. יותר ויותר לקוחות רוצים לבצע בדיקות ברמת המערכת מוקדם משום שהם מבינים את המצב הזה, אם כי לא כולם מודעים לכך. גם טכנולוגיית סימולציה משחקת כאן תפקיד. אם מישהו מיומן בסימולציה משולבת תרמית-מכנית, ניתוח בעיות הופך לקל יותר משום שהוא יודע על אילו היבטים להתמקד במהלך הבדיקה. בדיקות ברמת המערכת וטכנולוגיית סימולציה משלימות זו את זו. עם זאת, מגמה זו עדיין בשלביה הראשונים.
האם יש יותר בעיות תרמיות לטפל בהן בצמתי טכנולוגיה בוגרים מאשר בעבר?
אוטה: כן, אבל בשנתיים האחרונות, בעיות קו-מישוריות הפכו בולטות יותר ויותר. אנו רואים 5,000 עד 10,000 עמודי נחושת על שבב, במרווחים של בין 50 מיקרון ל-127 מיקרון זה מזה. אם תבחנו מקרוב את הנתונים הרלוונטיים, תגלו שהנחת עמודי הנחושת הללו על המצע וביצוע פעולות חימום, קירור והלחמה חוזרת דורשות השגת דיוק קו-מישוריות של בערך חלק אחד למאה אלף. דיוק של חלק אחד למאה אלף הוא כמו מציאת עלה דשא באורך של מגרש כדורגל. רכשנו כמה כלי Keyence בעלי ביצועים גבוהים כדי למדוד את השטיחות של השבב והמצע. כמובן, השאלה הנובעת מכך היא כיצד לשלוט בתופעת העיוות הזו במהלך מחזור הלחמת ההחזרה? זוהי סוגיה דחופה שיש לטפל בה.
צ'ן: אני זוכר דיונים על פונטה וקיו, שם השתמשו בהלחמה בטמפרטורה נמוכה משיקולי הרכבה ולא משיקולי ביצועים.
בהינתן שכל המעגלים הסמוכים עדיין סובלים מבעיות תרמיות, כיצד יש לשלב פוטוניקה בכך?
רוזנדאל: יש לבצע סימולציה תרמית עבור כל ההיבטים, וגם מיצוי בתדר גבוה הוא הכרחי מכיוון שהאותות הנכנסים הם אותות בתדר גבוה. לכן, יש לטפל בנושאים כמו התאמת עכבה והארקה נכונה. יכולים להיות גרדיאנטים משמעותיים בטמפרטורה, שעשויים להתקיים בתוך התבנית עצמה או בין מה שאנו מכנים תבנית "E" (תבנית חשמלית) לבין תבנית "P" (תבנית פוטון). אני סקרן אם עלינו להתעמק במאפיינים התרמיים של דבקים.
עובדה זו מעלה דיונים על חומרי הדבקה, בחירתם ויציבותם לאורך זמן. ניכר כי טכנולוגיית הדבקה היברידית יושמה בעולם האמיתי, אך היא טרם נוצלה לייצור המוני. מהו המצב הנוכחי של טכנולוגיה זו?
קלי: כל הצדדים בשרשרת האספקה שמים לב לטכנולוגיית הדבקה היברידית. נכון לעכשיו, טכנולוגיה זו מובלת בעיקר על ידי בתי יציקה, אך חברות OSAT (Outsourced Semiconductor Assembly and Test) בוחנות ברצינות את יישומיה המסחריים. רכיבי הדבקה דיאלקטרית היברידיים קלאסיים מנחושת עברו אימות ארוך טווח. אם ניתן לשלוט בניקיון, תהליך זה יכול לייצר רכיבים חזקים מאוד. עם זאת, יש לו דרישות ניקיון גבוהות ביותר, ועלויות הציוד ההוני גבוהות מאוד. חווינו ניסיונות יישום מוקדמים בקו המוצרים Ryzen של AMD, שבו רוב ה-SRAM השתמשו בטכנולוגיית הדבקה היברידית מנחושת. עם זאת, לא ראיתי לקוחות רבים אחרים מיישמים טכנולוגיה זו. למרות שהיא נמצאת במפות הדרכים הטכנולוגיות של חברות רבות, נראה שייקח עוד כמה שנים עד שסוויטות הציוד הרלוונטיות יעמדו בדרישות הניקיון העצמאיות. אם ניתן ליישם אותה בסביבת מפעל עם ניקיון מעט נמוך יותר ממפעל ופלים טיפוסי, ואם ניתן להשיג עלויות נמוכות יותר, אז אולי טכנולוגיה זו תקבל יותר תשומת לב.
צ'ן: לפי הסטטיסטיקה שלי, לפחות 37 מאמרים על הדבקה היברידית יוצגו בכנס ECTC 2024. זהו תהליך הדורש מומחיות רבה וכרוך בכמות משמעותית של פעולות עדינות במהלך ההרכבה. לכן, טכנולוגיה זו בהחלט תראה יישום נרחב. כבר קיימים כמה מקרי יישום, אך בעתיד היא תהפוך לנפוצה יותר בתחומים שונים.
כשאתה מזכיר "פעולות משובחות", האם אתה מתייחס לצורך בהשקעה כספית משמעותית?
חן: כמובן, זה כרוך בזמן ומומחיות. ביצוע פעולה זו דורש סביבה נקייה מאוד, מה שמצריך השקעה כספית. זה דורש גם ציוד נלווה, שדורש באופן דומה מימון. לכן זה כרוך לא רק בעלויות תפעול אלא גם בהשקעה במתקנים.
קלי: במקרים עם מרווח של 15 מיקרון או יותר, יש עניין רב בשימוש בטכנולוגיית פרוסת ופלים של עמודי נחושת. באופן אידיאלי, הפרוסות שטוחות, וגדלי השבבים אינם גדולים במיוחד, מה שמאפשר הזרמה חוזרת באיכות גבוהה עבור חלק מהמרווחים הללו. אמנם זה מציב כמה אתגרים, זה הרבה יותר זול מאשר להתחייב לטכנולוגיית הדבקה היברידית של נחושת. עם זאת, אם דרישת הדיוק היא 10 מיקרון או פחות, המצב משתנה. חברות המשתמשות בטכנולוגיית ערימת שבבים ישיגו מרווחי מיקרון חד-ספרתיים, כגון 4 או 5 מיקרון, ואין אלטרנטיבה. לכן, הטכנולוגיה הרלוונטית תתפתח באופן בלתי נמנע. עם זאת, גם הטכנולוגיות הקיימות משתפרות ללא הרף. אז עכשיו אנו מתמקדים במגבלות שאליה עמודי נחושת יכולים להימשך והאם טכנולוגיה זו תחזיק מעמד מספיק זמן כדי שלקוחות ידחו את כל השקעות התכנון והפיתוח "הסמכה" בטכנולוגיית הדבקה היברידית אמיתית של נחושת.
צ'ן: נאמץ טכנולוגיות רלוונטיות רק כאשר יהיה ביקוש.
האם יש כיום הרבה התפתחויות חדשות בתחום תרכובות האפוקסי לעיצוב?
קלי: תרכובות יציקה עברו שינויים משמעותיים. מקדם ההתפשטות התרמית (CTE) שלהן הופחת במידה ניכרת, מה שהופך אותן לנוחותיות יותר עבור יישומים רלוונטיים מבחינת לחץ.
אוטה: נחזור לדיון הקודם שלנו, כמה שבבי מוליכים למחצה מיוצרים כיום במרווח של 1 או 2 מיקרון?
קלי: חלק משמעותי.
צ'ן: כנראה פחות מ-1%.
אוטה: אז הטכנולוגיה שאנחנו דנים בה אינה מיינסטרים. היא לא בשלב המחקר, שכן חברות מובילות אכן מיישמות את הטכנולוגיה הזו, אך היא יקרה ובעלת תפוקות נמוכות.
קלי: זה מיושם בעיקר במחשוב בעל ביצועים גבוהים. כיום, הוא משמש לא רק במרכזי נתונים אלא גם במחשבים מתקדמים ואפילו בכמה מכשירים ניידים. למרות שהתקנים אלה קטנים יחסית, עדיין יש להם ביצועים גבוהים. עם זאת, בהקשר הרחב יותר של מעבדים ויישומי CMOS, חלקו נותר קטן יחסית. עבור יצרני שבבים רגילים, אין צורך לאמץ טכנולוגיה זו.
אוטה: זו הסיבה שמפתיע לראות את הטכנולוגיה הזו נכנסת לתעשיית הרכב. מכוניות לא צריכות שבבים קטנים במיוחד. הם יכולים להישאר בתהליכים של 20 או 40 ננומטר, מכיוון שהעלות לטרנזיסטור במוליכים למחצה היא הנמוכה ביותר בתהליך זה.
קלי: עם זאת, דרישות החישוב עבור ADAS או נהיגה אוטונומית זהות לאלו של מחשבי בינה מלאכותית או מכשירים דומים. לכן, תעשיית הרכב אכן צריכה להשקיע בטכנולוגיות מתקדמות אלה.
אם מחזור המוצר הוא חמש שנים, האם אימוץ טכנולוגיות חדשות יכול להאריך את היתרון בחמש שנים נוספות?
קלי: זוהי נקודה הגיונית מאוד. לתעשיית הרכב יש זווית נוספת. קחו בחשבון בקרי סרוו פשוטים או מכשירים אנלוגיים פשוטים יחסית שקיימים כבר 20 שנה והם זולים מאוד. הם משתמשים בשבבים קטנים. אנשים בתעשיית הרכב רוצים להמשיך להשתמש במוצרים האלה. הם רוצים להשקיע רק במכשירי מחשוב מתקדמים מאוד עם שבבים דיגיטליים קטנים ואולי לשלב אותם עם שבבים אנלוגיים זולים, זיכרון פלאש ושבבי RF. עבורם, מודל השבב הקטן הגיוני מאוד מכיוון שהם יכולים לשמור על חלקים רבים זולים ויציבים מהדור הישן. הם לא רוצים לשנות את החלקים האלה וגם לא צריכים. לאחר מכן, הם רק צריכים להוסיף שבב קטן מתקדם של 5 ננומטר או 3 ננומטר כדי למלא את הפונקציות של חלק ה-ADAS. למעשה, הם מיישמים סוגים שונים של שבבים קטנים במוצר אחד. בניגוד לתחומי המחשבים האישיים והמחשוב, לתעשיית הרכב יש מגוון יישומים מגוון יותר.
חן: יתר על כן, אין צורך להתקין את השבבים הללו ליד המנוע, כך שתנאי הסביבה טובים יותר יחסית.
קלי: טמפרטורת הסביבה במכוניות גבוהה למדי. לכן, גם אם עוצמת השבב אינה גבוהה במיוחד, תעשיית הרכב חייבת להשקיע כספים בפתרונות ניהול תרמי טובים ואף עשויה לשקול שימוש בחומרי ממשק תרמי (TIM) של אינדיום מכיוון שתנאי הסביבה קשים מאוד.
זמן פרסום: 28 באפריל 2025