Pengemasan semikonduktor telah berevolusi dari desain PCB 1D tradisional menjadi teknologi pengikatan hibrida 3D mutakhir pada tingkat wafer. Kemajuan ini memungkinkan jarak antar komponen dalam kisaran mikron satu digit, dengan bandwidth hingga 1000 GB/s, sambil mempertahankan efisiensi energi yang tinggi. Inti dari teknologi pengemasan semikonduktor canggih adalah pengemasan 2,5D (di mana komponen ditempatkan berdampingan pada lapisan perantara) dan pengemasan 3D (yang melibatkan penumpukan chip aktif secara vertikal). Teknologi ini sangat penting untuk masa depan sistem HPC.
Teknologi pengemasan 2.5D melibatkan berbagai material lapisan perantara, masing-masing dengan kelebihan dan kekurangannya sendiri. Lapisan perantara silikon (Si), termasuk wafer silikon pasif sepenuhnya dan jembatan silikon terlokalisasi, dikenal karena menyediakan kemampuan pengkabelan terbaik, menjadikannya ideal untuk komputasi berkinerja tinggi. Namun, material dan proses manufakturnya mahal dan menghadapi keterbatasan area pengemasan. Untuk mengatasi masalah ini, penggunaan jembatan silikon terlokalisasi semakin meningkat, secara strategis menggunakan silikon di tempat fungsionalitas yang baik sangat penting sambil mengatasi kendala area.
Lapisan perantara organik, yang menggunakan plastik cetakan fan-out, merupakan alternatif yang lebih hemat biaya dibandingkan silikon. Lapisan ini memiliki konstanta dielektrik yang lebih rendah, yang mengurangi penundaan RC dalam kemasan. Terlepas dari keunggulan ini, lapisan perantara organik kesulitan mencapai tingkat pengurangan fitur interkoneksi yang sama seperti kemasan berbasis silikon, sehingga membatasi penerapannya dalam aplikasi komputasi berkinerja tinggi.
Lapisan perantara kaca telah menarik minat yang signifikan, terutama setelah peluncuran kemasan kendaraan uji berbasis kaca oleh Intel baru-baru ini. Kaca menawarkan beberapa keunggulan, seperti koefisien ekspansi termal (CTE) yang dapat disesuaikan, stabilitas dimensi yang tinggi, permukaan yang halus dan rata, serta kemampuan untuk mendukung pembuatan panel, menjadikannya kandidat yang menjanjikan untuk lapisan perantara dengan kemampuan pengkabelan yang sebanding dengan silikon. Namun, selain tantangan teknis, kelemahan utama lapisan perantara kaca adalah ekosistem yang belum matang dan kurangnya kapasitas produksi skala besar saat ini. Seiring dengan kematangan ekosistem dan peningkatan kemampuan produksi, teknologi berbasis kaca dalam kemasan semikonduktor mungkin akan mengalami pertumbuhan dan adopsi lebih lanjut.
Dalam hal teknologi pengemasan 3D, pengikatan hibrida tanpa bump Cu-Cu menjadi teknologi inovatif terkemuka. Teknik canggih ini mencapai interkoneksi permanen dengan menggabungkan material dielektrik (seperti SiO2) dengan logam tertanam (Cu). Pengikatan hibrida Cu-Cu dapat mencapai jarak di bawah 10 mikron, biasanya dalam kisaran mikron satu digit, yang merupakan peningkatan signifikan dibandingkan teknologi micro-bump tradisional, yang memiliki jarak bump sekitar 40-50 mikron. Keuntungan dari pengikatan hibrida meliputi peningkatan I/O, peningkatan bandwidth, peningkatan penumpukan vertikal 3D, efisiensi daya yang lebih baik, dan pengurangan efek parasit dan resistansi termal karena tidak adanya pengisian bawah. Namun, teknologi ini kompleks untuk diproduksi dan memiliki biaya yang lebih tinggi.
Teknologi pengemasan 2.5D dan 3D mencakup berbagai teknik pengemasan. Dalam pengemasan 2.5D, tergantung pada pilihan material lapisan perantara, dapat dikategorikan menjadi lapisan perantara berbasis silikon, berbasis organik, dan berbasis kaca, seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas. Dalam pengemasan 3D, pengembangan teknologi micro-bump bertujuan untuk mengurangi dimensi jarak, tetapi saat ini, dengan mengadopsi teknologi pengikatan hibrida (metode koneksi Cu-Cu langsung), dimensi jarak satu digit dapat dicapai, menandai kemajuan signifikan di bidang ini.
**Tren Teknologi Utama yang Perlu Diperhatikan:**
1. **Area Lapisan Perantara yang Lebih Besar:** IDTechEx sebelumnya memprediksi bahwa karena kesulitan lapisan perantara silikon yang melebihi batas ukuran reticle 3x, solusi jembatan silikon 2.5D akan segera menggantikan lapisan perantara silikon sebagai pilihan utama untuk pengemasan chip HPC. TSMC adalah pemasok utama lapisan perantara silikon 2.5D untuk NVIDIA dan pengembang HPC terkemuka lainnya seperti Google dan Amazon, dan perusahaan tersebut baru-baru ini mengumumkan produksi massal CoWoS_L generasi pertamanya dengan ukuran reticle 3.5x. IDTechEx memperkirakan tren ini akan berlanjut, dengan kemajuan lebih lanjut yang dibahas dalam laporannya yang mencakup pemain utama.
2. **Pengemasan Tingkat Panel:** Pengemasan tingkat panel telah menjadi fokus penting, seperti yang disorot pada Pameran Semikonduktor Internasional Taiwan 2024. Metode pengemasan ini memungkinkan penggunaan lapisan perantara yang lebih besar dan membantu mengurangi biaya dengan memproduksi lebih banyak paket secara bersamaan. Terlepas dari potensinya, tantangan seperti manajemen lengkungan masih perlu diatasi. Meningkatnya popularitasnya mencerminkan meningkatnya permintaan akan lapisan perantara yang lebih besar dan lebih hemat biaya.
3. **Lapisan Perantara Kaca:** Kaca muncul sebagai material kandidat yang kuat untuk mencapai pengkabelan halus, sebanding dengan silikon, dengan keunggulan tambahan seperti CTE yang dapat disesuaikan dan keandalan yang lebih tinggi. Lapisan perantara kaca juga kompatibel dengan pengemasan tingkat panel, menawarkan potensi pengkabelan kepadatan tinggi dengan biaya yang lebih terjangkau, menjadikannya solusi yang menjanjikan untuk teknologi pengemasan di masa depan.
4. **HBM Hybrid Bonding:** Hybrid bonding tembaga-tembaga (Cu-Cu) 3D adalah teknologi kunci untuk mencapai interkoneksi vertikal dengan jarak antar chip yang sangat halus. Teknologi ini telah digunakan dalam berbagai produk server kelas atas, termasuk AMD EPYC untuk SRAM dan CPU yang ditumpuk, serta seri MI300 untuk menumpuk blok CPU/GPU pada die I/O. Hybrid bonding diharapkan memainkan peran penting dalam kemajuan HBM di masa mendatang, terutama untuk tumpukan DRAM yang melebihi 16-Hi atau 20-Hi lapisan.
5. **Perangkat Optik Terpaket Bersama (CPO):** Dengan meningkatnya permintaan akan throughput data yang lebih tinggi dan efisiensi daya, teknologi interkoneksi optik telah mendapatkan perhatian yang cukup besar. Perangkat optik terpaket bersama (CPO) menjadi solusi kunci untuk meningkatkan bandwidth I/O dan mengurangi konsumsi energi. Dibandingkan dengan transmisi listrik tradisional, komunikasi optik menawarkan beberapa keunggulan, termasuk atenuasi sinyal yang lebih rendah pada jarak jauh, sensitivitas crosstalk yang berkurang, dan bandwidth yang meningkat secara signifikan. Keunggulan ini menjadikan CPO pilihan ideal untuk sistem HPC yang intensif data dan hemat energi.
**Pasar Utama yang Perlu Dipantau:**
Pasar utama yang mendorong pengembangan teknologi pengemasan 2.5D dan 3D tidak diragukan lagi adalah sektor komputasi berkinerja tinggi (HPC). Metode pengemasan canggih ini sangat penting untuk mengatasi keterbatasan Hukum Moore, memungkinkan lebih banyak transistor, memori, dan interkoneksi dalam satu paket. Dekomposisi chip juga memungkinkan pemanfaatan node proses yang optimal antara blok fungsional yang berbeda, seperti memisahkan blok I/O dari blok pemrosesan, yang selanjutnya meningkatkan efisiensi.
Selain komputasi berkinerja tinggi (HPC), pasar lain juga diperkirakan akan mencapai pertumbuhan melalui adopsi teknologi pengemasan canggih. Di sektor 5G dan 6G, inovasi seperti pengemasan antena dan solusi chip mutakhir akan membentuk masa depan arsitektur jaringan akses nirkabel (RAN). Kendaraan otonom juga akan mendapat manfaat, karena teknologi ini mendukung integrasi rangkaian sensor dan unit komputasi untuk memproses sejumlah besar data sambil memastikan keamanan, keandalan, kekompakan, manajemen daya dan termal, serta efektivitas biaya.
Perangkat elektronik konsumen (termasuk ponsel pintar, jam tangan pintar, perangkat AR/VR, PC, dan workstation) semakin berfokus pada pemrosesan data yang lebih banyak dalam ruang yang lebih kecil, meskipun penekanan pada biaya semakin besar. Pengemasan semikonduktor canggih akan memainkan peran kunci dalam tren ini, meskipun metode pengemasannya mungkin berbeda dari yang digunakan dalam HPC.
Waktu posting: 07-Oktober-2024