¿Por qué es necesario el encapsulado avanzado de semiconductores?
Este es un mundo centrado en los datos. La creciente cantidad de datos generados en diversas industrias impulsa cada vez más la demanda de cálculo de gran ancho de banda. Aplicaciones como el aprendizaje automático y la inteligencia artificial requieren potentes capacidades de procesamiento, lo que lleva a la necesidad de una colocación densa de transistores en los chips y pasos de bump de interconexión compactos en los encapsulados.

Esto último pone de relieve la importancia de las tecnologías de semiconductores para satisfacer estos requisitos.

El encapsulado de semiconductores ha evolucionado desde la integración a nivel de placa hasta la integración a nivel de oblea, lo que ha supuesto notables avances. La integración a nivel de oblea ofrece ventajas sobre los métodos tradicionales, como una mayor densidad de conexiones, huellas más pequeñas para aplicaciones sensibles al tamaño y un mayor rendimiento.

El encapsulado "avanzado" de semiconductores incluye específicamente el encapsulado de alta densidad en abanico, 2,5D y 3D, caracterizado por un tamaño de bumping pitch inferior a 100 µm, que permite densidades de interconexión al menos 10 veces superiores.

El ancho de banda es clave
Para mejorar el ancho de banda desde la perspectiva del encapsulado, entran en juego dos factores clave: el número total de E/S (entrada/salida) y la velocidad binaria por cada E/S. Para aumentar el número total de E/S es necesario habilitar patrones línea/espacio (L/S) más finos en cada capa de enrutamiento/redistribución (RDL) y disponer de un mayor número de capas de enrutamiento. Por otro lado, la mejora de la tasa de bits por E/S se ve influida por la distancia de interconexión entre chiplets y la selección de materiales dieléctricos. Estos factores repercuten directamente en el rendimiento y la eficiencia globales del sistema de encapsulado.

Factores clave que afectan al ancho de banda de un módulo empaquetado. Fuente: IDTechEx

 Explorando los materiales y el procesamiento para el encapsulado avanzado de semiconductores)

Profundizar en la consecución de una mayor densidad de cableado y una mayor tasa de bits por E/S desde la perspectiva de los materiales y el procesamiento revela el papel fundamental que desempeñan la selección de materiales dieléctricos y la utilización de técnicas de procesamiento adecuadas. Estos factores tienen un impacto significativo en el rendimiento y las capacidades generales del sistema de envasado.

Interconexiones electrónicas: SiO2 frente a dieléctrico orgánico. Fuente: IDTechEx

La selección de materiales dieléctricos adecuados es crucial, teniendo en cuenta propiedades como una constante dieléctrica baja, un CET óptimo (lo más parecido posible al CET del Cu) y unas características mecánicas favorables que garanticen la fiabilidad del módulo, como el módulo de Young y el alargamiento. Estas opciones permiten mayores velocidades de transmisión de datos al tiempo que preservan la integridad de la señal y facilitan unas características de línea/espacio finas para aumentar la densidad del cableado.

En los aceleradores de alto rendimiento, como las GPU, los dieléctricos inorgánicos como el SiO2 se han utilizado ampliamente para conseguir características de línea/espacio (L/S) ultrafinas. Sin embargo, su uso es limitado en aplicaciones que exigen conectividad de alta velocidad debido a sus elevados retardos RC. Como alternativa, se han propuesto dieléctricos orgánicos por su rentabilidad y capacidad para mitigar los retardos RC gracias a su baja constante dieléctrica. Sin embargo, los dieléctricos orgánicos presentan problemas, como su elevado CET, que puede afectar negativamente a la fiabilidad del dispositivo, y dificultades para escalar a características L/S finas.

Además de seleccionar los materiales adecuados, las técnicas de procesamiento empleadas durante la fabricación del envase desempeñan un papel crucial para conseguir un mayor número de E/S y mejorar la tasa de bits por E/S. Los pasos que intervienen en los procesos de encapsulado 2,5D, como la litografía, la CMP (planarización químico-mecánica), los procesos de grabado y los procesos CMP y de unión en la unión híbrida Cu-Cu 3D, plantean retos a la hora de conseguir un enrutamiento más ajustado y una mayor densidad de cableado. IDTechEx proporciona información detallada sobre cómo la elección de materiales influye en los procesos de fabricación, ofreciendo una comprensión global de su impacto en el envasado avanzado de semiconductores.

Materiales y tecnologías incluidos en el informe IDTechEx

Alcance de "Materiales y procesamiento para el envasado de semiconductores avanzados 2024-2034". Fuente: IDTechEx

El informe de IDTechEx "Materials and Processing for Advanced Semiconductor Packaging 2024-2034" se divide en cuatro partes principales, ofreciendo un enfoque estructurado para entender el envasado avanzado de semiconductores. La primera parte ofrece una introducción exhaustiva a las tecnologías, tendencias de desarrollo, aplicaciones clave y ecosistema del envasado avanzado de semiconductores, proporcionando a los lectores una sólida visión general. La segunda parte se centra en los procesos de envasado en 2,5D y profundiza en aspectos cruciales, como los materiales dieléctricos para RDL y Microvia, las técnicas de fabricación de RDL y la selección de materiales para EMC y MUF. Cada una de las subsecciones de esta parte presenta un análisis detallado de los flujos de procesos, los puntos de referencia tecnológicos, las evaluaciones de los actores y las tendencias futuras, proporcionando a los lectores una visión completa.

El informe va más allá del análisis de los envases 2,5D para llegar a la tercera parte, que se centra en la innovadora tecnología de unión híbrida Cu-Cu para el apilamiento de matrices 3D. Esta sección ofrece valiosos datos sobre el proceso de fabricación y orientaciones sobre la selección de materiales para obtener resultados óptimos. También presenta estudios de casos que ponen de relieve la aplicación con éxito de la unión híbrida Cu-Cu utilizando dieléctricos orgánicos e inorgánicos. Además, el informe incluye una previsión de mercado a 10 años para el módulo de envasado avanzado de semiconductores dieléctricos orgánicos, que se presenta en el último capítulo. Esta previsión abarca métricas unitarias y de área, proporcionando a la industria perspectivas significativas sobre el crecimiento previsto del mercado y las tendencias para la próxima década.

Autor: Dr. Yu-Han Chang, analista tecnológico senior de IDTechEx