A indústria de chips automotivos está passando por mudanças
Recentemente, a equipe de engenharia de semicondutores discutiu sobre chips pequenos, ligação híbrida e novos materiais com Michael Kelly, vice-presidente de integração de chips pequenos e FCBGA da Amkor. Também participaram da discussão o pesquisador da ASE, William Chen, o CEO da Promex Industries, Dick Otte, e Sander Roosendaal, diretor de P&D da Synopsys Photonics Solutions. Abaixo, trechos dessa discussão.
Por muitos anos, o desenvolvimento de chips automotivos não ocupou uma posição de liderança na indústria. No entanto, com o surgimento dos veículos elétricos e o desenvolvimento de sistemas avançados de infoentretenimento, essa situação mudou drasticamente. Quais problemas você notou?
Kelly: Sistemas avançados de assistência ao motorista (ADAS) de ponta exigem processadores com um processo de 5 nanômetros ou menor para serem competitivos no mercado. Ao entrar no processo de 5 nanômetros, é preciso considerar os custos do wafer, o que leva a uma consideração cuidadosa de soluções de chips pequenos, visto que é difícil fabricar chips grandes no processo de 5 nanômetros. Além disso, o rendimento é baixo, resultando em custos extremamente altos. Ao lidar com processos de 5 nanômetros ou mais avançados, os clientes normalmente consideram selecionar uma parte do chip de 5 nanômetros em vez de usar o chip inteiro, enquanto aumentam o investimento na fase de encapsulamento. Eles podem pensar: "Seria uma opção mais econômica atingir o desempenho necessário dessa forma, em vez de tentar executar todas as funções em um chip maior?" Portanto, sim, as empresas automotivas de ponta estão definitivamente atentas à tecnologia de chips pequenos. As empresas líderes do setor estão monitorando isso de perto. Comparado ao setor de computação, a indústria automotiva está provavelmente de 2 a 4 anos atrasada na aplicação da tecnologia de chips pequenos, mas a tendência para sua aplicação no setor automotivo é clara. A indústria automotiva tem requisitos de confiabilidade extremamente altos, portanto, a confiabilidade da tecnologia de chips pequenos precisa ser comprovada. No entanto, a aplicação em larga escala da tecnologia de chips pequenos no setor automotivo certamente está a caminho.
Chen: Não notei nenhum obstáculo significativo. Acredito que seja mais uma questão de aprender e compreender profundamente os requisitos de certificação relevantes. Isso remonta ao nível da metrologia. Como fabricamos pacotes que atendem aos padrões automotivos extremamente rigorosos? Mas é certo que a tecnologia relevante está em constante evolução.
Considerando os muitos problemas térmicos e complexidades associados aos componentes multimatriz, haverá novos perfis de teste de estresse ou diferentes tipos de testes? Os padrões JEDEC atuais podem abranger esses sistemas integrados?
Chen: Acredito que precisamos desenvolver métodos de diagnóstico mais abrangentes para identificar claramente a origem das falhas. Discutimos a combinação de metrologia com diagnóstico e temos a responsabilidade de descobrir como construir embalagens mais robustas, usar materiais e processos de maior qualidade e validá-los.
Kelly: Atualmente, estamos conduzindo estudos de caso com clientes que aprenderam algo com testes em nível de sistema, especialmente testes de impacto de temperatura em testes de placas funcionais, que não são abordados nos testes JEDEC. Os testes JEDEC são meramente testes isotérmicos, envolvendo "aumento, queda e transição de temperatura". No entanto, a distribuição de temperatura em pacotes reais está longe do que ocorre no mundo real. Cada vez mais clientes desejam realizar testes em nível de sistema antecipadamente, pois entendem essa situação, embora nem todos estejam cientes disso. A tecnologia de simulação também desempenha um papel aqui. Se alguém tiver habilidade em simulação de combinação termomecânica, a análise de problemas se torna mais fácil, pois sabe em quais aspectos se concentrar durante os testes. Os testes em nível de sistema e a tecnologia de simulação se complementam. No entanto, essa tendência ainda está em seus estágios iniciais.
Há mais problemas térmicos a serem resolvidos em nós de tecnologia madura do que no passado?
Otte: Sim, mas nos últimos anos, as questões de coplanaridade tornaram-se cada vez mais proeminentes. Vemos de 5.000 a 10.000 pilares de cobre em um chip, espaçados entre 50 mícrons e 127 mícrons. Se você examinar atentamente os dados relevantes, descobrirá que colocar esses pilares de cobre no substrato e realizar operações de aquecimento, resfriamento e soldagem por refluxo requer uma precisão de coplanaridade de cerca de uma parte em cem mil. A precisão de uma parte em cem mil é como encontrar uma folha de grama no comprimento de um campo de futebol. Adquirimos algumas ferramentas Keyence de alto desempenho para medir a planura do chip e do substrato. Obviamente, a questão que se coloca é: como controlar esse fenômeno de deformação durante o ciclo de soldagem por refluxo? Esta é uma questão urgente que precisa ser abordada.
Chen: Lembro-me de discussões sobre a Ponte Vecchio, onde eles usavam solda de baixa temperatura por questões de montagem, em vez de questões de desempenho.
Considerando que todos os circuitos próximos ainda apresentam problemas térmicos, como a fotônica deve ser integrada a isso?
Roosendaal: A simulação térmica precisa ser conduzida para todos os aspectos, e a extração de alta frequência também é necessária porque os sinais que entram são sinais de alta frequência. Portanto, questões como casamento de impedância e aterramento adequado precisam ser abordadas. Pode haver gradientes de temperatura significativos, que podem existir dentro da própria matriz ou entre o que chamamos de matriz "E" (matriz elétrica) e a matriz "P" (matriz de fótons). Estou curioso para saber se precisamos nos aprofundar nas características térmicas dos adesivos.
Isso levanta discussões sobre materiais de ligação, sua seleção e estabilidade ao longo do tempo. É evidente que a tecnologia de ligação híbrida já foi aplicada na prática, mas ainda não foi utilizada para produção em massa. Qual é o estado atual dessa tecnologia?
Kelly: Todas as partes da cadeia de suprimentos estão atentas à tecnologia de ligação híbrida. Atualmente, essa tecnologia é liderada principalmente por fundições, mas empresas de OSAT (Montagem e Teste de Semicondutores Terceirizados) também estão estudando seriamente suas aplicações comerciais. Os componentes clássicos de ligação dielétrica híbrida de cobre passaram por uma validação de longo prazo. Se a limpeza puder ser controlada, esse processo pode produzir componentes muito robustos. No entanto, ele tem requisitos de limpeza extremamente altos e os custos de capital para equipamentos são muito altos. Tivemos tentativas iniciais de aplicação na linha de produtos Ryzen da AMD, onde a maioria das SRAMs usava a tecnologia de ligação híbrida de cobre. No entanto, não vi muitos outros clientes aplicando essa tecnologia. Embora esteja nos roteiros tecnológicos de muitas empresas, parece que levará mais alguns anos para que os conjuntos de equipamentos relacionados atendam aos requisitos independentes de limpeza. Se puder ser aplicada em um ambiente de fábrica com um nível de limpeza ligeiramente menor do que uma fábrica de wafers típica, e se custos mais baixos puderem ser alcançados, talvez essa tecnologia receba mais atenção.
Chen: De acordo com minhas estatísticas, pelo menos 37 artigos sobre ligação híbrida serão apresentados na conferência ECTC de 2024. Este é um processo que exige muita expertise e envolve uma quantidade significativa de operações refinadas durante a montagem. Portanto, essa tecnologia certamente terá ampla aplicação. Já existem alguns casos de aplicação, mas, no futuro, ela se tornará mais prevalente em diversos campos.
Quando você menciona "operações finas", está se referindo à necessidade de investimento financeiro significativo?
Chen: Claro, isso envolve tempo e experiência. Realizar essa operação requer um ambiente muito limpo, o que exige investimento financeiro. Também requer equipamentos relacionados, que também exigem financiamento. Portanto, isso envolve não apenas custos operacionais, mas também investimento em instalações.
Kelly: Em casos com espaçamento de 15 mícrons ou mais, há um interesse significativo no uso da tecnologia wafer-a-wafer de pilares de cobre. Idealmente, os wafers são planos e os tamanhos dos chips não são muito grandes, permitindo refluxo de alta qualidade para alguns desses espaçamentos. Embora isso apresente alguns desafios, é muito menos custoso do que se comprometer com a tecnologia de ligação híbrida de cobre. No entanto, se o requisito de precisão for de 10 mícrons ou menos, a situação muda. As empresas que utilizam a tecnologia de empilhamento de chips atingirão espaçamentos de um dígito em mícrons, como 4 ou 5 mícrons, e não há alternativa. Portanto, a tecnologia relevante inevitavelmente se desenvolverá. No entanto, as tecnologias existentes também estão em constante aprimoramento. Portanto, agora estamos nos concentrando nos limites até os quais os pilares de cobre podem se estender e se essa tecnologia durará o suficiente para que os clientes adiem todos os investimentos em design e desenvolvimento de "qualificação" na verdadeira tecnologia de ligação híbrida de cobre.
Chen: Só adotaremos tecnologias relevantes quando houver demanda.
Existem muitos novos desenvolvimentos no campo de compostos de moldagem epóxi atualmente?
Kelly: Os compostos de moldagem passaram por mudanças significativas. Seu CTE (coeficiente de expansão térmica) foi bastante reduzido, tornando-os mais favoráveis para aplicações relevantes do ponto de vista da pressão.
Otte: Voltando à nossa discussão anterior, quantos chips semicondutores são fabricados atualmente com espaçamento de 1 ou 2 mícrons?
Kelly: Uma proporção significativa.
Chen: Provavelmente menos de 1%.
Otte: Então, a tecnologia que estamos discutindo não é convencional. Não está em fase de pesquisa, já que empresas líderes estão aplicando essa tecnologia, mas ela é cara e tem baixo rendimento.
Kelly: Isso é aplicado principalmente em computação de alto desempenho. Hoje em dia, é usado não apenas em data centers, mas também em PCs de última geração e até mesmo em alguns dispositivos portáteis. Embora esses dispositivos sejam relativamente pequenos, eles ainda apresentam alto desempenho. No entanto, no contexto mais amplo de processadores e aplicações CMOS, sua proporção permanece relativamente pequena. Para fabricantes comuns de chips, não há necessidade de adotar essa tecnologia.
Otte: É por isso que é surpreendente ver essa tecnologia entrando na indústria automotiva. Os carros não precisam de chips extremamente pequenos. Eles podem permanecer em processos de 20 ou 40 nanômetros, já que o custo por transistor em semicondutores é menor nesse processo.
Kelly: No entanto, os requisitos computacionais para ADAS ou direção autônoma são os mesmos que para PCs com IA ou dispositivos similares. Portanto, a indústria automotiva precisa investir nessas tecnologias de ponta.
Se o ciclo do produto for de cinco anos, a adoção de novas tecnologias poderia estender a vantagem por mais cinco anos?
Kelly: Esse é um ponto bastante razoável. A indústria automotiva tem outro ângulo. Considere servocontroladores simples ou dispositivos analógicos relativamente simples que existem há 20 anos e são de baixíssimo custo. Eles usam chips pequenos. Os profissionais da indústria automotiva querem continuar usando esses produtos. Eles querem investir apenas em dispositivos de computação de ponta com chips digitais pequenos e, possivelmente, combiná-los com chips analógicos de baixo custo, memória flash e chips de RF. Para eles, o modelo de chip pequeno faz muito sentido, pois podem manter muitas peças de baixo custo, estáveis e de gerações mais antigas. Eles não querem nem precisam trocar essas peças. Então, eles só precisam adicionar um chip pequeno de 5 ou 3 nanômetros de ponta para cumprir as funções da parte ADAS. Na verdade, eles estão aplicando vários tipos de chips pequenos em um único produto. Ao contrário dos setores de PC e computação, a indústria automotiva tem uma gama mais diversificada de aplicações.
Chen: Além disso, esses chips não precisam ser instalados próximos ao motor, então as condições ambientais são relativamente melhores.
Kelly: A temperatura ambiente nos carros é bastante alta. Portanto, mesmo que a potência do chip não seja particularmente alta, a indústria automotiva precisa investir em boas soluções de gerenciamento térmico e pode até considerar o uso de TIM (materiais de interface térmica) de índio, já que as condições ambientais são muito adversas.
Horário da publicação: 28/04/2025