česky english Vítejte, dnes je sobota 13. červenec 2024

Heterogenní integrace – cesta k pokroku a inovaci

DPS 5/2021 | Články
Autor: doc. Ing. Ivan Szendiuch, CSc., VUT v Brně, FEKT, Ústav mikroelektroniky

Elektronika se výrazně vyčlenila jako specifická část elektrotechniky s nástupem polovodičových součástek, byť její prvopočátky lze spatřovat již v 19. století ve spojení s objevem emise elektronů Thomasem Alvou Edisonem. Na jeho objev navazuje éra vakuových elektronek spadající do první poloviny 20. století, u nichž se podařilo řídit tok elektricky nabitých částic. Rozhodující zlom v oblasti elektroniky však nastal v roce 1947, kdy byl vynalezen v Bellových laboratořích tranzistor, u něhož dochází k řízení toku elektricky nabitých částic v polovodičových materiálech. A přibližně o deset let později pak vznikl ve firmě Texas Instruments (Jack Kilby) také první integrovaný obvod, který obsahoval čtyři tranzistory.

Obr. 1 integrace (jpg)

Tím se nastartoval prudký rozvoj elektroniky, který byl podložen strmým růstem hustoty tranzistorů v jednom integrovaném obvodu realizovaném na jediném polovodičovém čipu. To dokázal vyjádřit Gordon Moore v roce 1965, když předpověděl, že počet tranzistorů na čipu se bude každých 18 měsíců zdvojnásobovat. Ale v roce 2015 prohlásil na konsorciu IEEE sám Moore větu: „Asi tuším, že někdy během další dekády platnost Moorova zákona skončí, ale to není překvapivé.“ a měl pravdu. Dnes je již vývoj elektronických obvodů tak hektický, že tento zákon nelze dále aplikovat. A tak vznikl termín „More than Moore“, který souvisí s vývojem oblasti pouzdření elektronických obvodů a systémů.

Elektronika se stále zmenšuje a rozlišení současných polovodičových technologií na čipu se pohybuje již v jednotkách nm, když byla uvedena do výroby tranzistorů MOSFET firmou Samsung technologie s rozlišením 5 nm. I když se tyto hodnoty již blíží fyzikálním limitům, není tomu tak zcela z pohledu limitů technologických. Podstatné však je, že tyto procesy jsou technologicky stále náročnější a přestávají být efektivní, zkrátka jinými slovy přestávají být rentabilní. A tak se naskýtá otázka, co bude ve vývoji integrovaných obvodů dál následovat. Při sledování trendů světového vývoje špičkové elektroniky lze pozorovat, že další možnosti integrace se soustřeďují do tří samostatných úrovní, jimiž jsou polovodičový čip, elektronický obvod či systém a software. Z pohledu výrobců elektroniky je při snaze dosáhnout na inovaci nově navrhovaných elektronických obvodů a systémů aktuální především oblast integrace obvodů a systémů. Zde se jedná o slučování čipů a dalších komponent do jediného pouzdra, které má heterogenní, tedy různorodý charakter. Heterogenní integrace tak označuje integraci samostatně vyrobených elektronických komponent, běžně realizovaných různými technologiemi, do jediného funkčního celku, kterým může být pouzdro nebo modul (např. SiP – System in Package). Takové řešení ve svém důsledku poskytuje lepší vlastnosti jak technické (funkce, spolehlivost atd.), tak ekonomické (náklady a cena). V jediném pouzdře zde může být integrován procesor s paměťmi, pasivními součástkami pro povrchovou montáž, filtry, MEMS a dalšími komponentami, včetně substrátu s propojovacími vodiči, jak je zřejmé na obr. 1.

Na základě uvedených skutečností lze heterogenní integrační technologie obecně definovat jako integraci samostatně vyráběných elektronických komponent do sestavy vyšší úrovně nebo přímo do elektronického systému realizovaného v jediném pouzdře či modulu, jako je tomu například v případě SiP. Zde je třeba vzít dále do úvahy skutečnost, že hustota integrace v dvourozměrné podobě (2D) má své limity především v délce propojovacích cest, takže se začínají uplatňovat stále více pouzdřící technologie realizované v třírozměrném provedení (3D), jak je názorně demonstrováno na obr. 2. Takové řešení umožňuje podstatně zkrátit délky vodivých propojovacích cest. Zde je také patrné, že významnou roli zde hraje také substrát (organická DPS nebo keramika), který je nositelem různých aktivních i pasivních součástek, ať už ve formě holých čipů (Flip chip), miniaturních pouzder pro povrchovou montáž (BGA, CSP, MCM, LTCC), či dalších součástek určených po povrchovou montáž (SMD). Takové řešení v uspořádání 3D přináší celou řadu výhod oproti dvourozměrnému uspořádání (2D), avšak vyžaduje také nový přístup z pohledu návrhových systémů.

Obr. 2 konfigurace (jpg)

Heterogenní integrace je jednou z cest vedoucích k inovaci elektronických obvodů a systémů, která je založena na vývoji mikroelektronických pouzdřících a montážních technologií (Microelectronics Packaging and Assembly Technologies). Tento technologický směr umožňuje průběžné zvyšování funkční hustoty součástek, ale současně i snižování nákladů na úroveň potřebnou k udržení pokroku jak z pohledu ceny, tak výkonu. Heterogenní integrace v elektronice je nezbytná cesta pro udržení tempa neustálého pokroku ve vývoji elektronických zařízení s vyšším výkonem, menšími rozměry, nižší hmotností, nižší spotřebou energie, a to vše při dosažení krátké latence a rentabilnosti nákladů, jak při vývoji, tak také ve výrobě.