Les défis de l’emballage avancé pour l’IA et le calcul haute performance

Alors que la demande en intelligence artificielle (IA) et en systèmes de calcul haute performance (HPC) continue de repousser les limites des performances des semi-conducteurs, le processus d’emballage fait face à de nouveaux défis qui vont au-delà des préoccupations traditionnelles liées à la densité des interconnexions. L’attention se porte désormais sur les limitations mécaniques et de contrôle des procédés des emballages avancés.

Au cœur du problème se trouve la déformation (warpage), un phénomène qui devient plus marqué à mesure que la taille des emballages augmente. L’emballage, autrefois considéré comme une coque passive, est désormais reconnu comme une partie intégrante des performances du système. Des facteurs tels que le comportement du substrat, les chemins thermiques, la distribution de l’énergie et la séquence des procédés jouent tous un rôle crucial dans la détermination de ce qui peut être construit et fabriqué à grande échelle.

Sandeep Razdan, directeur du groupe Advanced Technology chez NVIDIA, a souligné lors de la conférence iMAPS que « ce qui détermine vraiment la performance aujourd’hui n’est pas tant le nombre de flops ou de téraflops par GPU, mais plutôt l’architecture du système et la performance globale du système ». À mesure que l’emballage devient une partie active des performances du système, des problèmes tels que la déformation, l’alignement et le rendement du collage sont désormais considérés comme des goulots d’étranglement potentiels à résoudre avant de passer à l’échelle des systèmes avancés.

La déformation : un défi structurel majeur

La déformation est devenue l’un des problèmes les plus importants dans l’emballage avancé. Ce n’est pas simplement une nuisance ; c’est un défi structurel qui découle des déséquilibres de matériaux au sein de la pile d’emballage. Ces déséquilibres s’aggravent à mesure que des systèmes plus grands et plus complexes sont construits, avec du silicium placé sur des matériaux organiques et plusieurs couches aux comportements thermiques et mécaniques différents.

Le verre comme solution partielle

L’introduction du verre dans les processus d’emballage a été proposée comme solution pour réduire la déformation. Le verre est thermiquement stable et dimensionnellement plat, ce qui en fait un bon complément aux plaquettes de silicium. Cependant, il apporte son propre lot de défis, notamment en termes de fragilité et de microfissures. À mesure que la taille des panneaux de verre augmente, ces problèmes mécaniques deviennent plus prononcés, et les défauts de manipulation tels que les dommages aux bords et les microfissures deviennent des facteurs critiques pouvant affecter le rendement des processus d’emballage avancés.

Le collage hybride et ses défis

Le collage hybride, qui offre une haute densité d’interconnexions, est devenu essentiel pour les systèmes d’IA et de HPC. Cependant, à mesure que la taille des pas diminue, le rendement est de plus en plus influencé par les contraintes mécaniques plutôt que par les défauts. Les défis liés au collage hybride deviennent plus complexes avec l’augmentation de la densité de cuivre et la croissance des contraintes mécaniques, affectant le rendement et le contrôle des procédés. Lorsque la taille du pas se réduit à 2-3 microns, le régime dominé par les contraintes commence à prévaloir, posant de nouveaux obstacles de fabrication qui nécessitent des techniques plus raffinées pour gérer la contamination, l’alignement et la topographie.

Une approche holistique pour l’emballage avancé

L’emballage avancé entre dans une phase où chaque étape du processus affecte les suivantes, et la stabilité mécanique doit être maintenue tout au long. De la distribution d’énergie par l’arrière à l’amincissement, les défis deviennent de plus en plus interdépendants. Par exemple, la précision requise pour le traitement par l’arrière est désormais une partie critique du processus global d’emballage, car le meulage et le collage doivent être strictement contrôlés pour éviter les défauts.

À mesure que les tailles d’emballage augmentent et que les processus deviennent plus complexes, la stabilité globale de la pile — thermique, mécanique et électrique — doit être considérée de manière holistique. Cela nécessite un passage de l’optimisation des processus unitaires individuels à la gestion de l’effet cumulatif de toutes les étapes impliquées dans le processus d’emballage. Comprendre comment les matériaux et les procédés interagissent à chaque étape de l’assemblage sera la clé pour poursuivre l’évolution de l’emballage avancé pour les applications d’IA et de HPC.