Die Verpackung steht im Mittelpunkt der Innovationsbühne

Von Dave Lammers

Das Packaging hat sich zu einer der stärksten Formen der Innovation in der Halbleiterindustrie entwickelt. Da die klassische (geometrische) Skalierung schwieriger geworden ist, haben sich verschiedene "äquivalente Skalierungs"-Innovationen durchgesetzt, insbesondere die 193-nm-Tauchlithografie, verspanntes Silizium, High-k/Metall-Gate, FinFETs, vollständig verarmte SOI und vertikale NAND.

Jetzt sind die Verpackungen an der Reihe, und das rückt Experten wie Dave McCann, den Vizepräsidenten für Verpackungsforschung und -entwicklung bei GLOBALFOUNDRIES, in den Mittelpunkt.

In einem Interview in seinem Büro in Malta, N.Y., sagte McCann, dass immer mehr Kunden auf Verpackungsinnovationen setzen. "In allen Anwendungsbereichen integrieren die Kunden mehr als je zuvor mehrere Chips in ein Gehäuse, um Skalierungsbeschränkungen zu umgehen", sagte er.

Für Anwendungen mit hoher Bandbreite, wie Server und Netzwerke, ist GF laut McCann der einzige Anbieter ( foundry ), der 32-nm-TSVs in Großserie produziert.

GF und Micron Technologie haben zusammen gearbeitet an Hybrid-Speicherwürfel (HMC) Produkten zusammengearbeitet, wobei GF die TSV-fähige Logikschicht herstellt, die mit den DRAM-Chips von Micron gestapelt wird.

"Wir erhalten viele Kundenanfragen für 2,5D-Designs, bei denen wir unsere Erfahrung mit Erfahrung mit ASICs sowie Speicher und Hochgeschwindigkeits-Serden nutzen. Die meisten davon sind auf Silizium-Interposern, auf denen wir Leiterbahnen mit hoher Dichte erstellen, um ASIC und Speicher miteinander zu verbinden, so dass die Kunden Produkte mit sehr hoher Bandbreite erhalten."

RF- und IoT-Innovationen werden auch durch Multi-Chip-Anwendungen vorangetrieben, bei denen Chips aus verschiedenen GF-Fabriken und -Knotenpunkten zum Einsatz kommen. Dies ermögliche den Einsatz von Chips am kosteneffizientesten Knotenpunkt, anstatt die Integration und suboptimale Kosten zu erzwingen, fügte er hinzu.

Ein interessanter F&E-Schub für einige RF- und IoT-Anwendungen ist die Verwendung von Glassubstraten anstelle von Silizium, das zu verlustreich sein kann. "Wir glauben, dass wir durch Glasdurchführungen sehr dichte Verbindungen herstellen und alle passiven Komponenten loswerden können. Die Produkte könnten viel dünner werden", sagte McCann. Die Photonik ist ein weiterer wichtiger Bereich. Ziel ist es, photonische Signale direkt auf das Modul zu bringen, anstatt sie auf der Platine oder der Backplane abzulegen.

Für das obere Ende des mobilen Marktes und andere Märkte sagte McCann: "Wafer-Level-Fan-Out ist eine großartige Technologie, um zunächst mehr IO zu ermöglichen. Später werden wir sehen, dass sie auch für die Integration mehrerer Chips verwendet wird, beginnend mit dem Speicher und dem Anwendungsprozessor". Fan-out-Anwendungen mit hoher Dichte werden jedoch mehr kosten als die kostengünstigen substratbasierten Gehäuse, die sie ersetzen werden.

Dünnglas und FO-WLP ermöglichen es, mehrere Chips sehr nahe beieinander zu platzieren, was zu einer viel kleineren Grundfläche, einem dünneren Profil und einer höheren Leistung führt. Das Profil ist dünner, weil das Laminatsubstrat wegfällt. Und McCann merkte an, dass diese Technologien "wegen des geringen Verlusts bei Hochfrequenzsignalen besonders interessant für RF und IoT sind."

"Die WLFO-Lieferkette mit den niedrigsten Kosten wird OSATs für das einsetzen, was sie am besten können. Wir wollen nicht das tun, was ein OSAT genauso gut oder sogar besser kann. Vor allem in den wichtigsten Technologiebereichen können OSATs ihre Lösungen vielen Kunden billiger anbieten als wir es intern könnten", sagte McCann. Er fügte hinzu, dass dies den Kunden die Flexibilität gibt, die Lieferkette zu nutzen, die sie wollen.

"Die Kombination von GF mit der Mikroelektronik-Division von IBM eröffnet neue Möglichkeiten, darunter auch High-Density-Stacking-Anwendungen. Als einziger Foundry mit HVM-Erfahrung mit hochdichten 3D-TSV in Logik bringen wir Glaubwürdigkeit in den Markt", sagte McCann. Zusätzlich zu den 3D-TSVs entwirft und entwickelt GF 2,5D-Silizium-Interposer-Produkte im eigenen Haus für die Serienfertigung bei OSATs und bietet damit die beste Kombination aus Design-Know-how und einem kostengünstigen Produktionsweg.

"GF arbeitet auch an kostengünstigen Alternativen Speichertechnologien die mit neuen Siliziumknoten skalierbar sind, ohne dass zusätzliche Schichtkosten anfallen, und Technologien für den Einsatz in verschiedenen Produkttechnologien", so McCann. Das GF-Portfolio umfasst sowohl 2,5D- als auch 3D-Verpackungslösungen

Branchenanalysten erklärten, dass sie die Verpackungsfähigkeiten von foundrygenau im Auge behalten.

Dick James, Senior Fellow bei ChipWorks (Ottawa), sagte, GF habe die Möglichkeit, die von IBM Microelectronics in den letzten zehn Jahren entwickelte Through-Silicon-Via- und Interposer-Technologie weiter zu nutzen. James wies darauf hin, dass in der kürzlich veröffentlichten Zusammenfassung der International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) die Notwendigkeit der Integration heterogener ICs in System-in-Package-Lösungen hervorgehoben wurde. Die Kombination von Speichern mit hoher Bandbreite und Grafikprozessoren sei ein besonders wichtiger Bereich für die Zukunft, so James, der von der Interposer-Erfahrung in der Fabrik von GF Fishkill, N.Y., profitieren werde. McCann fügte hinzu, dass dies auch auf dem Know-how von GF im Bereich des Large Thin Die Stacking aufbauen wird.

Jan Vardaman, Präsidentin der in Austin, Texas, ansässigen Verpackungsberatungsfirma TechSearch International, sagte, dass ihre Firma eine zunehmende Verwendung von Silizium-Interposern für Hochleistungsanwendungen beobachtet. "Die Verwendung eines Silizium-Interposers ermöglicht den Einsatz eines Wärmespreizers auf der Oberseite, um die Wärmeabfuhr zu unterstützen", sagte sie.

Die Verwendung von Wafer-Level-Fanout-Packaging bringt auch viele Änderungen in der Infrastruktur mit sich, so Vardaman, angefangen beim Co-Design von ICs und Gehäusen.

Bislang hatten die meisten Anwendungsprozessoren ein Laminatsubstrat mit Flip-Chip-Verbindungen verwendet. "Mit Fan-Out-WLP ist kein traditionelles Laminatsubstrat mit Underfill mehr erforderlich. Es gibt nur eine Menge Änderungen in der Infrastruktur. Das gesamte Packaging kann auf der Website foundry oder in einem OSAT mit einer nicht-traditionellen OSAT-Fertigungsstraße erfolgen", so Vardaman.

TechSearch beobachtet eine rasche Verbreitung von FO-WLP über den weit verbreiteten Einsatz in Basisbandprozessoren hinaus, in RF-Transceivern und -Schaltern, integrierten Power-Management-Schaltungen (PMICs), Kfz-Radarmodulen, Nahfeldkommunikation (NFC), Audio-CODECs, Sicherheitsgeräten und Mikrocontrollern.

GF kooperatives Lieferkettenmodell für 2D-, 2,5D- und 3D-Verbindungen

Es ist also kein Wunder, dass sich die Kunden einen Weg in das Büro von Dave McCann bahnen. McCann sagte, dass sich "die Zahl der Kundenengagements vervielfacht", die von der Mischung aus OSAT-Partnern und intern entwickelten Technologien angezogen werden.

"GF hat nicht vor, jemals ein OSAT zu werden. Aber dort, wo OSAT nicht investiert, wo wir intern einzigartige Fähigkeiten entwickeln und einen Differenzierungsvorteil erlangen können, werden wir eine Partnerschaft mit einem OSAT eingehen, um diese Lösung in die Produktion zu bringen", so McCann.