自動車用チップ業界は変化の真っ只中にある
最近、半導体エンジニアリングチームは、Amkorの小型チップおよびFCBGA統合担当バイスプレジデントであるMichael Kelly氏と、小型チップ、ハイブリッドボンディング、新材料について議論しました。議論には、ASE研究員のWilliam Chen氏、Promex Industries CEOのDick Otte氏、Synopsys Photonics Solutions R&DディレクターのSander Roosendaal氏も参加しました。以下は、この議論からの抜粋です。
長年にわたり、車載用チップの開発は業界をリードする立場にありませんでした。しかし、電気自動車の台頭と高度なインフォテインメントシステムの発展により、状況は劇的に変化しました。どのような課題に気づいていますか？
ケリー氏：ハイエンドADAS（先進運転支援システム）は、市場で競争力を持つために、5ナノメートルプロセス以下のプロセッサを必要とします。5ナノメートルプロセスになると、ウェハコストを考慮する必要があり、5ナノメートルプロセスで大型チップを製造するのは困難であるため、小型チップソリューションを慎重に検討する必要があります。さらに、歩留まりが低いため、非常に高いコストが発生します。5ナノメートル以上の先端プロセスを扱う場合、顧客は通常、5ナノメートルチップ全体を使用するのではなく、チップの一部を選択し、パッケージング段階への投資を増やすことを検討します。「大型チップですべての機能を完結しようとするよりも、この方法で必要な性能を達成する方が費用対効果が高いのではないか？」と考えるかもしれません。つまり、ハイエンド自動車メーカーは小型チップ技術に間違いなく注目しており、業界のリーディングカンパニーもこれを注視しています。コンピューティング分野と比較すると、自動車業界は小型チップ技術の応用においておそらく2～4年遅れていますが、自動車分野におけるその応用の傾向は明確です。自動車業界は信頼性に対する要求が非常に高いため、小型チップ技術の信頼性は実証されなければなりません。しかし、自動車分野における小型チップ技術の大規模な応用は確実に進んでいます。
チェン：特に大きな障害は感じていません。むしろ、関連する認証要件を深く学び、理解する必要があると思います。これは計測レベルにまで遡ります。非常に厳しい自動車基準を満たすパッケージをどのようにして製造するのでしょうか？しかし、関連技術は継続的に進化していることは確かです。
マルチダイコンポーネントには多くの熱問題と複雑さが伴うため、新たなストレステストプロファイルや異なる種類のテストが必要になるでしょうか？現在のJEDEC規格は、このような統合システムをカバーできるでしょうか？
チェン：故障の原因を明確に特定するためには、より包括的な診断方法を開発する必要があると考えています。計測技術と診断技術を組み合わせることについて議論してきましたが、より堅牢なパッケージを構築し、より高品質な材料とプロセスを採用し、それらを検証する方法を模索する責任が私たちにはあります。
ケリー：現在、お客様とケーススタディを実施しています。システムレベルテスト、特にJEDECテストではカバーされていない機能ボードテストにおける温度影響テストから、多くの学びを得ています。JEDECテストは「温度上昇、温度下降、温度遷移」を伴う等温テストに過ぎませんが、実際のパッケージ内の温度分布は現実世界とは大きく異なります。この状況を理解しているお客様が増えているため、システムレベルテストを早期に実施したいという声が増えています。ただし、誰もが認識しているわけではありません。ここでもシミュレーション技術が重要な役割を果たします。熱と機械の複合シミュレーションに精通していれば、テスト時にどの側面に着目すべきかが分かるため、問題分析が容易になります。システムレベルテストとシミュレーション技術は互いに補完し合っています。しかし、この傾向はまだ初期段階にあります。
成熟したテクノロジーノードでは、これまでよりも対処すべき熱の問題が増えていますか?
オッテ氏：はい、しかしここ数年、平坦性の問題がますます顕著になっています。チップ上には5,000～10,000本の銅ピラーがあり、間隔は50ミクロン～127ミクロンです。関連データを詳しく調べると、これらの銅ピラーを基板上に配置して加熱、冷却、リフローはんだ付け工程を行うには、約10万分の1の平坦性精度を達成する必要があることがわかります。10万分の1の精度は、サッカー場の長さの中に1本の草を見つけるようなものです。私たちは、チップと基板の平坦度を測定するために、キーエンス製の高性能ツールをいくつか購入しました。当然のことながら、次に来る問題は、リフローはんだ付けサイクル中にこの反り現象をいかに制御するかということです。これは、対処すべき喫緊の課題です。
Chen: Ponte Vecchio について話し合ったことを覚えています。彼らはパフォーマンス上の理由ではなく、組み立てを考慮して低温はんだを使用していました。
近くにあるすべての回路に依然として熱の問題があるのに、フォトニクスをこれにどう統合すればよいのでしょうか?
Roosendaal氏：あらゆる側面から熱シミュレーションを実施する必要があります。また、入力信号が高周波信号であるため、高周波抽出も必要です。そのため、インピーダンス整合や適切な接地といった問題にも対処する必要があります。ダイ自体、あるいは「E」ダイ（電気ダイ）と「P」ダイ（光子ダイ）と呼ばれるものの間にも、大きな温度勾配が生じる可能性があります。接着剤の熱特性について、より深く掘り下げる必要があるのではないかと考えております。
このことから、接合材料、その選定、そして経時安定性に関する議論が生まれます。ハイブリッド接合技術は実用化されているものの、量産段階には至っていません。この技術の現状はどうなっているのでしょうか？
ケリー氏：サプライチェーンのあらゆる関係者がハイブリッド接合技術に注目しています。現在、この技術は主にファウンドリが主導していますが、OSAT（半導体組立・テストのアウトソーシング）企業もその商用化を真剣に検討しています。従来の銅ハイブリッド誘電体接合部品は長期検証を経ています。清浄度を制御できれば、このプロセスは非常に堅牢な部品を製造できます。しかし、清浄度要件が非常に高く、設備投資コストも高額です。AMDのRyzen製品ラインでは、SRAMの大部分に銅ハイブリッド接合技術が採用されており、初期の適用事例を経験しました。しかし、他の顧客がこの技術を適用しているのを目にしたことはあまりありません。多くの企業の技術ロードマップには載っていますが、関連装置スイートが独立した清浄度要件を満たすには、まだ数年かかると思われます。一般的なウェーハファブよりも清浄度がわずかに低い工場環境に適用でき、コスト削減も実現できれば、この技術はより注目を集めるかもしれません。
陳：私の統計によると、2024年のECTCカンファレンスでは、ハイブリッド接合に関する論文が少なくとも37件発表される予定です。これは高度な専門知識を必要とし、組み立て時にかなりの微細な操作を伴うプロセスです。そのため、この技術は間違いなく広く応用されるでしょう。すでにいくつかの応用事例がありますが、今後は様々な分野でさらに普及していくでしょう。
「優れた運用」とは、多額の資金投資が必要なことを指しているのでしょうか?
陳：もちろん、時間と専門知識が必要です。この作業を行うには非常にクリーンな環境が必要であり、資金投資が必要です。また、関連機器も必要であり、同様に資金が必要です。つまり、運用コストだけでなく、設備投資も必要となるのです。
ケリー氏：15ミクロン以上の間隔の場合、銅ピラーを用いたウェーハ・ツー・ウェーハ技術への関心が高まっています。理想的には、ウェーハは平坦で、チップサイズもそれほど大きくないため、これらの間隔の一部に対して高品質のリフローが可能です。これにはいくつかの課題がありますが、銅ハイブリッド接合技術を採用するよりもはるかに低コストです。しかし、精度要件が10ミクロン以下の場合、状況は変わります。チップスタッキング技術を採用している企業は、4ミクロンや5ミクロンといった1桁台のミクロン間隔を実現しており、他に選択肢はありません。したがって、関連技術は必然的に発展していくでしょう。しかし、既存の技術も継続的に改良されています。そのため、現在私たちは、銅ピラーをどこまで延長できるか、そしてこの技術が、お客様が真の銅ハイブリッド接合技術への設計および「認定」開発投資をすべて延期するほど長く存続できるかどうかに焦点を当てています。
陳氏：需要がある場合にのみ、関連技術を採用します。
現在、エポキシ成形材料分野では新たな開発が多く行われているのでしょうか？
ケリー：成形コンパウンドは大きな変化を遂げました。CTE（熱膨張係数）が大幅に低減されたため、圧力の観点から、関連する用途にとってより有利になりました。
Otte: 前回の議論に戻りますが、現在 1 ミクロンまたは 2 ミクロン間隔で製造されている半導体チップはいくつありますか?
ケリー：かなりの割合です。
チェン：おそらく1％未満でしょう。
オッテ：つまり、私たちが議論している技術は主流ではないということです。研究段階ではなく、大手企業が実際にこの技術を適用していますが、コストが高く、収量も低いのです。
ケリー氏：これは主に高性能コンピューティングに応用されています。現在では、データセンターだけでなく、ハイエンドPCや一部の携帯機器にも使用されています。これらのデバイスは比較的小型ですが、それでも高い性能を備えています。しかし、プロセッサやCMOSアプリケーションというより広い文脈の中では、その割合はまだ比較的小さいままです。一般的なチップメーカーにとって、この技術を採用する必要はありません。
オッテ：だからこそ、この技術が自動車産業に参入しているのを見るのは驚きです。自動車には極端に小さなチップは必要ありません。半導体におけるトランジスタ1個あたりのコストは、このプロセスで最低となるため、20ナノメートルや40ナノメートルのプロセスで十分です。
ケリー：しかし、ADASや自動運転に必要な計算要件は、AI搭載PCや類似デバイスに必要な計算要件と同じです。そのため、自動車業界はこれらの最先端技術に投資する必要があります。
製品サイクルが 5 年の場合、新しいテクノロジーを導入することで、その優位性をさらに 5 年間延長できるでしょうか?
ケリー：それは非常にごもっともな指摘です。自動車業界には別の視点があります。シンプルなサーボコントローラーや、20年も前から存在し、非常に低コストな比較的シンプルなアナログデバイスを考えてみましょう。これらのデバイスには小型チップが使われています。自動車業界の人々はこれらの製品を使い続けたいと考えています。彼らは、小型のデジタルチップを搭載した非常にハイエンドなコンピューティングデバイスにのみ投資し、場合によっては低コストのアナログチップ、フラッシュメモリ、RFチップと組み合わせたいと考えています。彼らにとって、小型チップモデルは非常に理にかなっています。なぜなら、低コストで安定した旧世代の部品を多く保持できるからです。彼らはこれらの部品を交換するつもりはなく、また交換する必要もありません。そして、ADAS部分の機能を果たすために、ハイエンドの5ナノメートルまたは3ナノメートルの小型チップを追加するだけで済むのです。実際、彼らは1つの製品に様々な種類の小型チップを適用しています。PCやコンピューティング分野とは異なり、自動車業界はより多様なアプリケーションを備えています。
陳：さらに、これらのチップはエンジンの隣に設置する必要がないため、環境条件は比較的良好です。
ケリー氏：車内の環境温度は非常に高くなります。そのため、チップの消費電力がそれほど高くなくても、自動車業界は優れた熱管理ソリューションに一定の資金を投資する必要があり、環境条件が非常に厳しいため、インジウムTIM（サーマルインターフェースマテリアル）の使用も検討する必要があるでしょう。
投稿日時: 2025年4月28日