L'industrie des puces automobiles est en pleine mutation
Récemment, l'équipe d'ingénierie des semi-conducteurs a discuté des petites puces, de la liaison hybride et des nouveaux matériaux avec Michael Kelly, vice-président des petites puces et de l'intégration FCBGA chez Amkor. Étaient également présents William Chen, chercheur à l'ASE, Dick Otte, PDG de Promex Industries, et Sander Roosendaal, directeur R&D de Synopsys Photonics Solutions. Voici des extraits de cette discussion.
Pendant de nombreuses années, le développement des puces automobiles n'a pas été une priorité dans l'industrie. Cependant, avec l'essor des véhicules électriques et le développement de systèmes d'infodivertissement avancés, la situation a radicalement changé. Quels problèmes avez-vous constatés ?
Kelly : Les systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS) haut de gamme nécessitent des processeurs gravés en 5 nanomètres ou moins pour être compétitifs sur le marché. L'adoption du procédé 5 nanomètres implique de prendre en compte le coût des plaquettes, ce qui conduit à envisager avec prudence les solutions à base de petites puces, car il est difficile de fabriquer des puces de grande taille avec ce procédé. De plus, le faible rendement entraîne des coûts extrêmement élevés. Lorsqu'ils utilisent des procédés 5 nanomètres ou plus avancés, les clients privilégient généralement une partie de la puce plutôt que l'intégralité, augmentant ainsi leurs investissements dans le packaging. Ils pourraient se demander : « Serait-il plus rentable d'atteindre les performances requises de cette manière, plutôt que d'essayer de réaliser toutes les fonctions dans une puce plus grande ? » Il est donc vrai que les constructeurs automobiles haut de gamme s'intéressent de près à la technologie des petites puces. Les entreprises leaders du secteur suivent ce phénomène de près. Comparé au secteur informatique, l'industrie automobile accuse probablement un retard de deux à quatre ans dans l'application de cette technologie, mais la tendance est claire. L'industrie automobile a des exigences de fiabilité extrêmement élevées ; la fiabilité de la technologie des micropuces doit donc être prouvée. Cependant, son application à grande échelle dans le secteur automobile est en bonne voie.
Chen : Je n'ai pas constaté d'obstacles majeurs. Je pense qu'il s'agit plutôt d'apprendre et de comprendre en profondeur les exigences de certification pertinentes. Cela renvoie à la métrologie. Comment fabriquer des emballages conformes aux normes automobiles extrêmement strictes ? Mais il est certain que la technologie concernée est en constante évolution.
Compte tenu des nombreux problèmes thermiques et de la complexité des composants multipuces, de nouveaux profils de tests de contrainte ou différents types de tests seront-ils mis en place ? Les normes JEDEC actuelles peuvent-elles couvrir ces systèmes intégrés ?
Chen : Je pense que nous devons développer des méthodes de diagnostic plus complètes pour identifier clairement la source des défaillances. Nous avons envisagé de combiner la métrologie et le diagnostic, et nous avons la responsabilité de déterminer comment construire des boîtiers plus robustes, utiliser des matériaux et des procédés de meilleure qualité, et les valider.
Kelly : Nous menons actuellement des études de cas avec des clients qui ont tiré des enseignements des tests système, notamment des tests d'impact thermique lors des tests fonctionnels de cartes, qui ne sont pas couverts par les tests JEDEC. Les tests JEDEC sont simplement des tests isothermes, impliquant des « montées, descentes et transitions de température ». Cependant, la distribution de température dans les boîtiers réels est loin de celle observée en conditions réelles. De plus en plus de clients souhaitent réaliser des tests système en amont, car ils comprennent cette situation, même si elle n'est pas toujours connue. La technologie de simulation joue également un rôle. Une personne compétente en simulation de combinaisons thermomécaniques facilite l'analyse des problèmes, car elle sait sur quels aspects se concentrer pendant les tests. Les tests système et la technologie de simulation se complètent. Cependant, cette tendance n'en est qu'à ses débuts.
Y a-t-il plus de problèmes thermiques à résoudre au niveau des nœuds technologiques matures que par le passé ?
Otte : Oui, mais ces dernières années, les problèmes de coplanarité sont devenus de plus en plus importants. Nous observons 5 000 à 10 000 piliers de cuivre sur une puce, espacés de 50 à 127 microns. Un examen attentif des données pertinentes révèle que la pose de ces piliers de cuivre sur le substrat et les opérations de chauffage, de refroidissement et de soudure par refusion nécessitent une précision de coplanarité d'environ 1/100 000. Une précision d'1/100 000, c'est comme trouver un brin d'herbe sur la longueur d'un terrain de football. Nous avons acquis des outils Keyence hautes performances pour mesurer la planéité de la puce et du substrat. Bien sûr, la question qui se pose est de savoir comment contrôler ce phénomène de déformation pendant le cycle de soudure par refusion. C'est un problème urgent qui doit être résolu.
Chen : Je me souviens de discussions sur le Ponte Vecchio, où ils utilisaient de la soudure à basse température pour des raisons d'assemblage plutôt que pour des raisons de performances.
Étant donné que tous les circuits à proximité présentent encore des problèmes thermiques, comment la photonique devrait-elle être intégrée à cela ?
Roosendaal : Une simulation thermique doit être réalisée pour tous les aspects, et une extraction haute fréquence est également nécessaire, car les signaux entrants sont des signaux haute fréquence. Par conséquent, des questions telles que l'adaptation d'impédance et la mise à la terre doivent être prises en compte. Il peut y avoir des gradients de température importants, qui peuvent exister au sein même de la puce ou entre la puce « E » (puce électrique) et la puce « P » (puce photonique). Je suis curieux de savoir si nous devrions approfondir les caractéristiques thermiques des adhésifs.
Cela soulève des discussions sur les matériaux de collage, leur sélection et leur stabilité dans le temps. Il est évident que la technologie de collage hybride a été appliquée en pratique, mais elle n'a pas encore été utilisée en production de masse. Quel est l'état actuel de cette technologie ?
Kelly : Tous les acteurs de la chaîne d’approvisionnement s’intéressent à la technologie de liaison hybride. Actuellement, cette technologie est principalement portée par les fonderies, mais les entreprises d’assemblage et de test de semi-conducteurs externalisés (OSAT) étudient également sérieusement ses applications commerciales. Les composants classiques de liaison diélectrique hybride cuivre ont fait l’objet d’une validation à long terme. Si la propreté peut être contrôlée, ce procédé peut produire des composants très robustes. Cependant, il impose des exigences de propreté extrêmement strictes et les coûts d’équipement sont très élevés. Nous avons constaté des premières tentatives d’application sur la gamme de produits Ryzen d’AMD, où la plupart des SRAM utilisaient la technologie de liaison hybride cuivre. Cependant, je n’ai pas vu beaucoup d’autres clients appliquer cette technologie. Bien qu’elle figure sur la feuille de route technologique de nombreuses entreprises, il semble qu’il faudra encore quelques années pour que les équipements associés répondent aux exigences de propreté indépendantes. Si elle peut être appliquée dans un environnement industriel avec une propreté légèrement inférieure à celle d’une usine de fabrication de plaquettes classique, et si des coûts inférieurs peuvent être obtenus, alors cette technologie pourrait bénéficier d’une plus grande attention.
Chen : D'après mes statistiques, au moins 37 articles sur le collage hybride seront présentés lors de la conférence ECTC 2024. Ce procédé requiert une grande expertise et implique un nombre important d'opérations de précision lors de l'assemblage. Cette technologie sera donc largement utilisée. Il existe déjà quelques cas d'application, mais à l'avenir, elle se généralisera dans divers domaines.
Lorsque vous parlez de « belles opérations », faites-vous référence à la nécessité d’un investissement financier important ?
Chen : Bien sûr, cela implique du temps et de l'expertise. Réaliser cette opération nécessite un environnement très propre, ce qui nécessite un investissement financier. Cela nécessite également du matériel connexe, ce qui nécessite également un financement. Cela implique donc non seulement des coûts opérationnels, mais aussi des investissements dans les installations.
Kelly : Pour les cas où l'espacement est de 15 microns ou plus, l'utilisation de la technologie de montage wafer à wafer à piliers de cuivre suscite un vif intérêt. Idéalement, les wafers sont plats et les puces de petite taille, ce qui permet une refusion de haute qualité pour certains de ces espacements. Bien que cela présente quelques difficultés, c'est beaucoup moins coûteux que d'opter pour la technologie de collage hybride au cuivre. Cependant, si la précision requise est de 10 microns ou moins, la situation change. Les entreprises utilisant la technologie d'empilement de puces atteindront des espacements de l'ordre de quelques microns, par exemple 4 ou 5 microns, et il n'existe aucune autre alternative. Par conséquent, la technologie pertinente évoluera inévitablement. Cependant, les technologies existantes sont également en constante amélioration. Nous nous concentrons donc actuellement sur les limites de l'extension des piliers de cuivre et sur la question de savoir si cette technologie durera suffisamment longtemps pour que les clients reportent tous les investissements de conception et de développement de « qualification » dans la technologie de collage hybride au cuivre véritable.
Chen : Nous n’adopterons les technologies pertinentes que lorsqu’il y aura une demande.
Existe-t-il actuellement de nombreux nouveaux développements dans le domaine des composés de moulage époxy ?
Kelly : Les composés de moulage ont subi des changements importants. Leur coefficient de dilatation thermique (CTE) a été considérablement réduit, ce qui les rend plus adaptés aux applications pertinentes du point de vue de la pression.
Otte : Pour revenir à notre discussion précédente, combien de puces semi-conductrices sont actuellement fabriquées avec un espacement de 1 ou 2 microns ?
Kelly : Une proportion importante.
Chen : Probablement moins de 1 %.
Otte : La technologie dont nous parlons n'est donc pas courante. Elle n'en est pas encore au stade de la recherche, car des entreprises leaders l'appliquent effectivement, mais elle est coûteuse et offre de faibles rendements.
Kelly : Cette technologie est principalement utilisée dans le calcul haute performance. Aujourd'hui, elle est utilisée non seulement dans les centres de données, mais aussi dans les PC haut de gamme et même dans certains appareils portables. Bien que ces appareils soient relativement compacts, ils offrent néanmoins des performances élevées. Cependant, dans le contexte plus large des processeurs et des applications CMOS, sa part reste relativement faible. Pour les fabricants de puces classiques, il n'est pas nécessaire d'adopter cette technologie.
Otte : C’est pourquoi il est surprenant de voir cette technologie pénétrer l’industrie automobile. Les voitures n’ont pas besoin de puces extrêmement petites. Elles peuvent rester à des procédés de 20 ou 40 nanomètres, car c’est à ce stade que le coût par transistor dans les semi-conducteurs est le plus bas.
Kelly : Cependant, les besoins en calcul des systèmes ADAS ou de la conduite autonome sont les mêmes que ceux des PC dotés d'IA ou d'appareils similaires. Par conséquent, l'industrie automobile doit investir dans ces technologies de pointe.
Si le cycle du produit est de cinq ans, l’adoption de nouvelles technologies pourrait-elle prolonger l’avantage de cinq années supplémentaires ?
Kelly : C’est un point tout à fait raisonnable. L’industrie automobile a une autre approche. Prenons l’exemple de simples servocontrôleurs ou de dispositifs analogiques relativement simples, existant depuis 20 ans et très économiques. Ils utilisent de petites puces. Les acteurs de l’industrie automobile souhaitent continuer à utiliser ces produits. Ils souhaitent investir uniquement dans des dispositifs informatiques haut de gamme dotés de petites puces numériques, et éventuellement les associer à des puces analogiques, des mémoires flash et des puces RF économiques. Pour eux, le modèle des petites puces est tout à fait pertinent, car ils peuvent conserver de nombreux composants stables et peu coûteux d’ancienne génération. Ils ne souhaitent ni n’ont besoin de les modifier. Il leur suffit ensuite d’ajouter une petite puce haut de gamme de 5 nanomètres ou 3 nanomètres pour assurer les fonctions de la partie ADAS. En fait, ils utilisent différents types de petites puces dans un seul produit. Contrairement aux secteurs des PC et de l’informatique, l’industrie automobile offre une gamme d’applications plus diversifiée.
Chen : De plus, ces puces n’ont pas besoin d’être installées à côté du moteur, donc les conditions environnementales sont relativement meilleures.
Kelly : La température ambiante dans les voitures est assez élevée. Par conséquent, même si la puissance des puces n'est pas particulièrement élevée, l'industrie automobile doit investir dans des solutions de gestion thermique performantes et pourrait même envisager l'utilisation de TIM (matériaux d'interface thermique) en indium, car les conditions environnementales sont très difficiles.
Date de publication : 28 avril 2025