半導体パッケージングは、従来の1次元PCB設計から、ウェハレベルでの最先端の3次元ハイブリッドボンディングへと進化を遂げてきました。この技術革新により、相互接続間隔を数ミクロン単位にまで縮小し、最大1000GB/sの帯域幅を実現しながら、高いエネルギー効率を維持することが可能になりました。先進的な半導体パッケージング技術の中核を成すのは、2.5次元パッケージング（中間層上に部品を並べて配置する方式）と3次元パッケージング（アクティブチップを垂直方向に積層する方式）です。これらの技術は、将来のHPCシステムにとって極めて重要です。
2.5Dパッケージング技術では、それぞれに長所と短所を持つ様々な中間層材料が用いられます。完全パッシブシリコンウェハや局所シリコンブリッジなどのシリコン（Si）中間層は、極めて精密な配線能力を提供することで知られており、高性能コンピューティングに最適です。しかし、材料費と製造コストが高く、パッケージング面積にも制約があります。これらの問題を緩和するため、局所シリコンブリッジの使用が増加しており、面積の制約に対応しつつ、精密な機能が不可欠な箇所にシリコンを戦略的に活用しています。
ファンアウト成形プラスチックを用いた有機中間層は、シリコンに比べてコスト効率に優れた代替材料である。誘電率が低いため、パッケージ内のRC遅延を低減できる。しかし、こうした利点にもかかわらず、有機中間層はシリコンベースのパッケージングと同レベルの相互接続機能の削減を実現するのが難しく、高性能コンピューティング用途での採用が制限されている。
ガラス中間層は、特にインテルが最近ガラスベースのテストビークルパッケージを発表して以来、大きな注目を集めている。ガラスは、熱膨張係数（CTE）の調整が可能であること、高い寸法安定性、滑らかで平坦な表面、パネル製造に対応できることなど、多くの利点を備えているため、シリコンに匹敵する配線能力を持つ中間層として有望な候補となっている。しかし、技術的な課題に加え、ガラス中間層の主な欠点は、エコシステムが未成熟であることと、現在のところ大規模生産能力が不足していることである。エコシステムが成熟し、生産能力が向上するにつれて、半導体パッケージにおけるガラスベースの技術は、さらなる成長と普及が見込まれる。
3Dパッケージング技術において、Cu-Cuバンプレスハイブリッドボンディングは、革新的な技術として注目を集めています。この先進的な技術は、誘電体材料（SiO2など）と埋め込み金属（Cu）を組み合わせることで、恒久的な相互接続を実現します。Cu-Cuハイブリッドボンディングは、10ミクロン以下、通常は数ミクロン程度の間隔を実現でき、バンプ間隔が約40～50ミクロンである従来のマイクロバンプ技術に比べて大幅な改善となります。ハイブリッドボンディングの利点としては、I/Oの増加、帯域幅の拡大、3D垂直積層の改善、電力効率の向上、ボトムフィルが不要となることによる寄生効果と熱抵抗の低減などが挙げられます。ただし、この技術は製造が複雑で、コストも高くなります。
2.5Dおよび3Dパッケージング技術は、さまざまなパッケージング手法を包含しています。2.5Dパッケージングでは、中間層材料の選択に応じて、上図に示すように、シリコン系、有機系、ガラス系の中間層に分類できます。3Dパッケージングでは、マイクロバンプ技術の開発により間隔寸法の縮小を目指していますが、現在ではハイブリッドボンディング技術（Cu-Cu直接接続方式）を採用することで、一桁台の間隔寸法を実現でき、この分野で大きな進歩を遂げています。
**注目すべき主要な技術トレンド:**
1. **中間層領域の拡大:** IDTechExは以前、シリコン中間層がレチクルサイズの3倍を超えることが困難であるため、2.5DシリコンブリッジソリューションがHPCチップのパッケージングにおける主要な選択肢としてシリコン中間層に取って代わるだろうと予測していました。TSMCはNVIDIAやGoogle、Amazonなどの他の主要なHPC開発企業向けに2.5Dシリコン中間層を供給する主要サプライヤーであり、同社は最近、レチクルサイズが3.5倍の第1世代CoWoS_Lの量産を発表しました。IDTechExはこの傾向が続くと予想しており、主要プレーヤーを取り上げたレポートでさらなる進歩について議論しています。
2. **パネルレベルパッケージング:** パネルレベルパッケージングは、2024年台湾国際半導体展示会でも注目されたように、重要な焦点となっています。このパッケージング方式では、より大きな中間層の使用が可能になり、より多くのパッケージを同時に生産することでコスト削減に貢献します。その可能性にもかかわらず、反り対策などの課題は依然として解決する必要があります。その重要性の高まりは、より大型でコスト効率の高い中間層に対する需要の高まりを反映しています。
3. **ガラス中間層:** ガラスは、シリコンに匹敵する微細配線を実現するための有力な候補材料として注目されており、調整可能な熱膨張係数（CTE）や高い信頼性といった利点も備えています。ガラス中間層はパネルレベルのパッケージングにも対応しており、より低コストで高密度配線を実現できる可能性を秘めているため、将来のパッケージング技術にとって有望なソリューションとなっています。
4. **HBMハイブリッドボンディング:** 3D銅-銅（Cu-Cu）ハイブリッドボンディングは、チップ間の超微細ピッチ垂直相互接続を実現するための重要な技術です。この技術は、積層SRAMおよびCPU向けのAMD EPYCや、I/Oダイ上にCPU/GPUブロックを積層するMI300シリーズなど、さまざまなハイエンドサーバー製品で使用されています。ハイブリッドボンディングは、特に16層または20層を超えるDRAMスタックにおいて、将来のHBMの進歩に重要な役割を果たすと期待されています。
5. **コパッケージ型光デバイス（CPO）**：データスループットと電力効率の向上に対する需要の高まりに伴い、光インターコネクト技術は大きな注目を集めています。コパッケージ型光デバイス（CPO）は、I/O帯域幅の拡大とエネルギー消費量の削減を実現する重要なソリューションになりつつあります。従来の電気伝送と比較して、光通信は長距離伝送における信号減衰の低減、クロストーク感度の低減、帯域幅の大幅な拡大など、多くの利点を提供します。これらの利点により、CPOはデータ集約型でエネルギー効率の高いHPCシステムにとって理想的な選択肢となっています。
**注目すべき主要市場:**
2.5Dおよび3Dパッケージング技術の開発を牽引する主要市場は、間違いなく高性能コンピューティング（HPC）分野です。これらの高度なパッケージング手法は、ムーアの法則の限界を克服し、単一パッケージ内にトランジスタ、メモリ、相互接続をより多く搭載するために不可欠です。チップの分割により、入出力ブロックと処理ブロックの分離など、異なる機能ブロック間でプロセスノードを最適に活用することが可能になり、効率がさらに向上します。
高性能コンピューティング（HPC）に加え、他の市場も先進的なパッケージング技術の採用によって成長が見込まれています。5Gおよび6G分野では、パッケージングアンテナや最先端のチップソリューションといったイノベーションが、無線アクセスネットワーク（RAN）アーキテクチャの未来を形作るでしょう。これらの技術は、センサー群とコンピューティングユニットの統合をサポートし、大量のデータを処理すると同時に、安全性、信頼性、小型化、電力および熱管理、そしてコスト効率を確保するため、自動運転車にも恩恵をもたらします。
スマートフォン、スマートウォッチ、AR/VRデバイス、PC、ワークステーションなどの民生用電子機器は、コスト重視の傾向が強まる一方で、より小さなスペースでより多くのデータを処理することにますます注力している。高度な半導体パッケージングは、この傾向において重要な役割を果たすだろうが、そのパッケージング方法はHPCで使用されるものとは異なる可能性がある。
投稿日時：2024年10月7日