Innovatie & Strategie

Infrastructuur
wafer

Chiplets maken wafer beslist niet overbodig

Grotere rol voor packaging bij chipfabricage.

wafer in chipproductie © Shutterstock PastryShop
2 september 2022

Grotere rol voor packaging bij chipfabricage.

Intels CEO Pat Gelsinger voorspelde vorige week het einde van het wafertijdperk, de toekomst is aan de chiplets. Maar de basis van chiplets is ook een wafer en dat blijft voorlopig ook zo, voorspelt Eric Beyne, senior fellow, vice-president R&D en directeur 3D System Integration Program bij imec, het Belgische onderzoekscentrum voor nano-elektronica en digitale technologie.

Chiplets zijn wel de toekomst en gaan chips zoals ze nu in de meeste computers en smartphones zitten vervangen. De huidige chips worden nu veelal in een keer met enkele honderden tegelijk gemaakt op een ronde wafer. De componenten en verbindingen worden echter met de moderne 7nm en zelfs 3 nm-technologie steeds kleiner. Tegelijk neemt de omvang van de chip toch steeds toe doordat er steeds meer functies in een enkele chip worden ondergebracht. De kans op het optreden van fouten in de chip neemt daardoor toe. Als er ergens zo'n ultradun spoortje materiaal onbedoeld niet of niet volledig wordt gelegd in het productieproces, is de hele complexe chip waardeloos. Het productieproces is duur dus is het voor de chipproducent belangrijk de opbrengst (yield) per waferschijf zo hoog mogelijk te houden.

Chiplets bieden dan uitkomst. Dat zijn eigenlijk kleine onderdelen van een chip die later worden samengesteld tot een functionele chip. Hoewel dezelfde productieproblemen optreden, is de schade niet zo groot. Er passen veel meer kleinere chiplets op een waferschijf en vallen er een paar uit, blijft de totale opbrengst alsnog hoog. Chiplets hebben nog een voordeel. Doordat de chips in een later stadium worden samengesteld uit onderdelen, kan makkelijker maatwerk in de functies van de chip worden geleverd door verschillende chiplets te combineren.

Packaging krijgt nieuwe rol

Het koppelen van de chiplets moet echter wel op een andere manier gebeuren dan tot nog toe verschillende chips in een processor worden gecombineerd. Datatransport en energievoorziening worden anders een groot probleem, waardoor extra warmteontwikkeling zou ontstaan en de snelheid van de chip lijdt onder de nieuwe productiemethode. Daar ontstaat een nieuwe rol voor de producenten van packagingmachines, zoals het van oorsprong Nederlandse Besi. "Die machines kunnen met zeer hoge nauwkeurigheid - met een precisie van enkele honderden nanometer - chiponderdelen op elkaar plaatsen en koppelen alsof ze in een geheel gemaakt zijn. Dat wordt wel wafer level packaging genoemd." De technieken die daarbij gebuikt worden, staan onder meer bekend als CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) en InFO (Integrated Fan-Out).

Voor de packaging-industrie ontstaat daar dus een nieuwe markt, maar ook met nieuwe uitdagingen, legt Beyne uit. "De packaging (van complete chips) gebeurde altijd al in een clean room, maar van een andere categorie dan die nodig is voor het opbouwen van chips uit chiplets. Die moet aan dezelfde voorwaarden voor cleanliness voldoen als waarin de wafersteppers nu werken, eigenlijk in een compleet afgesloten doos die alleen opengaat voor het aan- en afvoeren van materiaal en eindproduct." Beyne weet dat Besi - waar imec veel mee samenwerkt voor de ontwikkeling van 3D chipstructuren - al veel onderzoek heeft gedaan naar het bereiken van die hogere vereisten aan clean processing.

TSMC heeft nu al een fabriek die geschikt is voor wafer level packaging, zegt Beyne, waarbij een hoge mate van automatisering (factory automation) is toegepast. "Robots aan het plafond verplaatsen cassettes van het ene toestel naar het andere. Zij liggen daarmee echt een stuk voor op de concurrentie."

Standaarden negeren niet eenvoudig

De wafer is dus nog lang niet verdwenen, stelt Beyne en de wet van Moore ook niet. Een simpele reden is dat er zo veel is geïnvesteerd in de manier waarop chips nu gemaakt worden op een ronde wafer van 300 mm dat veranderingen in de basis ervan, grote consequenties heeft. "Er is wel geprobeerd over te stappen op grotere wafers van 450 mm om meer chips tegelijk te kunnen maken. Maar dat vergt zulke aanpassingen in de toeleveringsketen dat die ontwikkeling nooit van de grond is gekomen." Datzelfde geldt voor het gebruik van vierkante panels waarop meer (vierkante) chips gemaakt kunnen worden dan op een ronde schijf. Maar veel van de geavanceerde processen in de chipproductie zijn gebaseerd op een roterende beweging. Dat is lastiger te combineren met vierkante 'koekjes'. Beyne: "De panels worden wel gebruikt maar bij chips met minder hoge precisie." Die hoge standaardisatiegraad is ook een van de redenen dat alternatieve dragers voor silicium, zoals bijvoorbeeld grafeen of gallium arsenide, geen snelle opmars maken. De materialen hebben weliswaar voordelen ten opzichte van silicium, maar ze passen niet in de standaardprocessen.

Beyne werkt zelf ook aan technologie voor 3D-stapeling van chiplets zoals die bijvoorbeeld wordt toegepast in een volgende generatie camerachips. Die worden driedimensionaal opgebouwd. De bovenste chiplet vangt met een gevoelige laag het licht op. Die wordt met een chiplet daaronder uitgelezen en de gegevens worden direct in een derde laag tijdelijk opgeslagen. "Die opslag kan dan in één keer worden uitgelezen, in plaats van zoals nu gebeurt lijn voor lijn. De nieuwe opzet moet voorkomen dat beeldvervorming optreedt bij het maken van een opname op hoge snelheid. Als je nu een foto vanuit de trein maakt staan alle palen schuin. Dat gebeurt met deze 3D packaging niet meer.

Lithografie blijft cruciaal

Omdat de wafer niet verdwijnt, maakt ASML zich ook geen zorgen voor de toekomstige markt, laat woordvoerder Sander Hofman weten. "Wat betreft lithografie en chiplets is er geen horde op dit vlak. Al vanaf midden jaren 2000 zie je dat performance-verbeteringen met name door multi-core en daarna met chiplets en 3D worden geboekt, maar schaling door middel van lithografie blijft daarbij cruciaal: je moet namelijk blijven verbeteren in je transistor-designs om meer transistoren in het systeem te kunnen krijgen tegen de laagst mogelijke manufacturing-kosten. Daarmee kun je uiteindelijk die betere 'performance' en 'affordability' van het totale systeem leveren."

Lees meer over
1
Reacties
Bop 07 september 2022 17:58

Lijkt mij eerder problemen creëren dan oplossen.

Doe maar gewoon beng massaal afdrukken in één keer van complete systemen, en weggooien wat niet werkt.

Reactie toevoegen
De inhoud van dit veld is privé en zal niet openbaar worden gemaakt.