汽車電子轉向先進封裝

文︱ANN STEFFORA MUTSCHLER

文章來源︱Semiconductor Engineering

在處理不同類型的海量資料時，多種類型晶片融合比單晶片更具優勢。但針對汽車應用，尚不清楚如何甚至是否應該将這些晶片封裝在一起。

車載電子面臨的最大問題就是車輛内外的極端溫度差。若沒有充分冷卻，晶片将會發生過早老化、信号漂移等問題，且在某些情況下，晶片甚至會停止正常工作。盡管如此，冷卻系統将會使汽車制造變得更加複雜，成本提高，甚至還會出現其他故障。對于汽車制造商和晶片設計人員來說，這顯然是巨大的挑戰。

“無論從哪方面看，每個子產品都是封閉的，是以這些子產品都有熱力學限制，”Xilinx汽車業務部進階總監Willard Tu表示。“他們總是試圖把這些子產品塞進奇怪的小地方。而有些子產品很容易受到環境熱量積聚的影響。”

例如，擋風玻璃上的前視攝像頭處于一個極度苛刻的環境，因為太陽直射在擋風玻璃上。“這意味着該子產品本身就會自然升溫，而不僅僅來自電子器件的熱量，還有來自環境中的熱量。”Tu表示。“無論電子器件溫度高低，溫度的波動總是讓汽車電子設計充滿了挑戰。”

靠近發動機使晶片封裝設計更加困難。“發動機變熱，并組成了電源電路系統，”Ansys産品營銷總監Marc Swinnen表示。“同時，汽車中還有很多電子器件離發動機不那麼近，例如資訊娛樂系統。此外，自動駕駛電子器件也沒必要與發動機緊密相連，是以特定熱限制隻适用于部分電子。除此之外的電子器件則可以安裝在普通電子外殼、座椅下方或儀表盤中。”

盡管這些決定甚至可能不會引起大多數消費電子産品設計團隊的關注，但延長汽車和卡車的使用壽命以及車輛中處理的資料量需要一些複雜的設計和冷卻技術。問題在于，在這種極端條件下，先進晶片設計經驗尚淺，而且目前這些設計還沒有在先進工藝節點或先進封裝中應用。

考慮包含高度信号處理的晶片，例如4D成像雷達或雷射雷達。

“在這方面，發熱始終都是一個問題，”Tu表示。“一般來說，業界通常遵循摩爾定律，降低半導體栅極長度來解決這個問題。這種情況下，裝置運作時，動态功耗始終處于低位。當裝置停止運作，靜态功耗實際上有點高，但裝置大部分時間通常是‘開啟’的狀态，而不是‘關閉’狀态。我們擔心的是，‘關閉’裝置應用時可能會影響電池。這是一個令人感興趣的領域，是以大多數汽車制造商都在增加電池的尺寸。”

摩爾定律曆來提供了減少熱量和提高性能的附加值，但随着工藝節點更新疊代，這種特性逐漸觸及極限。“并不是每個廠商都将光刻節點從28nm向下移動到16nm，再到7nm，再到 5nm到3nm，等等，”Tu表示。“現在的挑戰逐漸轉變為以成本為導向，這意味着許多公司難以負擔得起5nm或3nm節點的高昂費用，他們正在回避轉向5nm或3nm節點。是以，他們正在尋求以其他方式解決散熱問題，并開始着眼于系統級别，而不是縮小規模。”

這發揮了FPGA的優勢，與傳統ASIC相比，FPGA的每個時鐘周期都可以執行更多計算。“在檢視散熱時，最大的貢獻者之一是SoC的時鐘頻率，”Tu表示。“如果裝置以1或2GHz頻率運作，那麼這就是熱計算功耗的主要發生器。但是在FPGA中，這并非一個管道通過，而生可以配置為五個或六個管道。是以，每個時鐘周期執行五到六條指令。該裝置不是讓一個CPU或多個CPU在一個時鐘頻率上運作，而是有10或20條專門處理信号的管線。”

在汽車某些部件中，先進封裝的優勢突顯。但是，有些方法在車輛的某些部分比其他方法更有效，而這一點現在才被研究出來。

解決散熱問題的政策

對于所有瞄準汽車市場的晶片制造商以及開發先進封裝技術的公司來說，散熱挑戰顯然要排在第一位。

“對于每個使用晶片的部分，基本挑戰總是相同的。”Cadence多實體系統分析産品營銷總監 Melika Roshandell表示。“在汽車領域，挑戰随之而來。因為在更高的環境溫度下啟動，這意味着挑戰将會更加艱巨。但其他行業正在使用的任何政策都可以應用于汽車領域。汽車還具有更大空間優勢，是以與手機相比，可以在設計中使用其他散熱改進。這意味着風扇是一種選擇。散熱器？這也是一種選擇。”

按計劃進行這項工作需要記錄不同電氣部件的熱量。過去通過對PCB進行穩态分析來完成記錄，但這并沒有提供足夠的細節來進行評估。

“出于這個原因，由于可靠性要求，電熱協同仿真在汽車中變得非常重要，”Roshandell表示。“你不想在兩年内扔掉你的車。你想延長它的使用壽命。這種類型的協同仿真顯示了在一定時間内，溫度如何以瞬态方式影響加熱和電壓降（IR drop）等。”

圖 1：不同類型的先進封裝（圖源：Cadence）

盡管汽車行業在先進電子方面缺乏經驗，但這個過程已經得到充分了解。“汽車行業擁有很多嚴格的監管，這迫使企業進行大量分析和大量記錄。”Siemens 數字化工業軟體産品管理總監John Ferguson表示。“他們已經很好地表征了溫度條件及其在系統内誘發的原因。一旦你知道了這一點，那麼你至少離詢問如何設計一堆可能産生此情況的晶片更近了一步。”

熱量和存儲

先進電子的關鍵問題之一是熱量對記憶體的影響。即使是被認為非常可靠的DRAM，在極熱的環境中也會變得不那麼可靠。這在汽車應用中尤其麻煩，因為全部車載傳感器生成的大量安全相關資料需要在某處進行處理和存儲，并且需要快速通路。此外，還需要保持資料完整，不受損壞。

高帶寬記憶體 (HBM)是一種可能的解決方案，基本上是堆疊子產品内部DRAM晶片。“自HBM2以來，使用者一直在考慮将HBM用于汽車。”Synopsys記憶體接口IP産品營銷經理Brett Murdock表示。“真正的挑戰在于記憶體方面，因為汽車環境中的熱量使其具有挑戰性。汽車啟動後器件周圍溫度很快就變得很高，記憶體也因為發熱而發出難聞氣味。有趣的是，對于HBM3，标準任務組已經表明，對計算HBM3裝置的汽車溫度範圍很感興趣。如果供應商能夠解決他們這一方面的汽車問題，那将為HBM裝置打開一個高需求市場。”

為此，它們必須能夠承受汽車級的溫度波動。“如今，HBM主要應用于圖形處理器，配備大量散熱器和/或水冷，” Murdock表示。“這是第一個要解決的問題。HBM最初應該是一種3D技術，計劃安裝在CPU正上方，但由于溫度原因無法實作。由于發熱嚴重，該器件使用中介層達到2.5D。為了散熱，需要在整個封裝的頂部放置了一個巨大的散熱器，這意味着晶片堆疊面臨困難。然後将其放在汽車環境中仍将是一個問題。供應商正試圖解決這個問題，因為他們看到了那裡的需求和機會。”

從可靠性的角度來看，使用中介層會增加潛在風險。“汽車環境下的中介層機械連接配接需要在制作電路闆時處理，但我不認為有人真正完成了對中介層外觀的思考過程或認證過程，”他表示。“但這問題不大，如果散熱問題解決了，那麼機械問題是次要的。”

如果這些問題能夠得到解決，生态系統可以迅速為HBM3建立汽車記憶體IP。“在2023年底/2024年初，我們實際上可能會開始看到汽車設計從HBM開始，并配備合格的汽車零件。” Murdock稱。

晶片堆疊

到目前為止，汽車晶片中還沒有真正的3D封裝，而且由于散熱和外形尺寸等問題，這種趨勢并不明顯。

“擁有非常薄的元件可能更容易，幾乎可以将其放置在引擎内的任何位置或內建在汽車本身，”西門子的Ferguson表示。“如果你有半英寸或一英寸高的空間，晶片可能更難放置進去。這當然是考慮因素之一。”

但車輛隻是汽車基礎設施的一部分。堆疊晶片可以在資料中心内發揮重要作用，資料中心将收集和快速處理數百萬輛汽車産生的資料。

“以特斯拉這樣的汽車制造商為例，汽車中的電子裝置必須高度可靠，不受振動和發熱的影響，重量輕，不需要大量冷卻，”Cadence IC封裝和跨平台解決方案産品管理總監John Park表示。“車輛與伺服器對話，運用了大量人工智能工具。圖像被快速發送到人工智能平台，其可以處于水冷環境下。就汽車本身而言，我認為沒有必要進行大量3D內建，不僅僅是因為散熱，還因為成本、可靠性和其他因素。然而，在特斯拉與之交談的家庭中心，情況完全不同。如果你是一家汽車公司，我認為你不會在主流汽車中堅持這一點。對于像特斯拉這樣的公司，以及人們想做的所有關于駕駛自動化/自動駕駛的事情，人們都願意為此支付溢價。在那裡，對于正在生産的那些類型汽車來說，這可能是有意義的。”

更有可能的是，多種多晶片方法将用于車輛内部。“這裡肯定有進化。”Cadence多實體場系統分析産品管理總監Brad Griffin表示。“也許在汽車中進行異構內建的需求不像在較小的裝置中那樣苛刻，但我們看到汽車市場中越來越多的元件變得電動化，是以汽車電子逐漸朝着矽中介層2.5D內建的方向發展。”

在汽車生态系統中，有關ECU和其他類型裝置的工作正在進行中，這些裝置将用于汽車應用。“遷移過程中發生的很大一部分是對如何保障所有電氣模組化都能有效運作的擔憂。” Griffin稱。“工程團隊習慣于在不同晶片或元件的信号之間留出更多空間，并且所有東西都壓縮在2.5D、3D IC或混合晶片堆棧中，是以在這些信号之間有很多信号。它們在矽中介層上非常接近，是以必須對這些信号進行模組化和提取。而不僅僅是一兩個，或者最壞的情況。他們想要做完整的資料總線或完整的系統本身。”

宇宙射線失效機制

除了上述問題，還有其他問題亟待解決。在此領域，不同的封裝技術将發揮特别重要的作用。随着汽車中應用了越來越多的電子器件，這些電子會受到與其他電子器件相同宇宙射線的影響。晶片越先進，電路就越密集，單個alpha粒子就越有可能翻轉多個記憶體位，而不僅僅是一個。

“宇宙射線無處不在，若在特定時間擊穿特定記憶體位，它們就可以翻轉那個記憶體位。”Ansys的Swinnen表示。“是以，如果在特定時間被特定宇宙射線擊中，晶片中的任何觸發器都可以随時随機翻轉。在軍用/航空應用中，他們試圖通過将電路放在金屬盒中來保護裝置，金屬盒可以對這些顆粒提供一定程度的保護。”

由于大氣上層和高空的高輻射，航空電子器件的設計人員非常清楚這種影響。“在地球上，這是一種IT瞬态故障機制，可以通過屏蔽來解決。這些影響通常不會完全屏蔽，是以你隻能盡可能減弱影響，”Swinnen認為。“但這些影響可能随時發生。這也是當初航天飛機升空時，有五台備援計算機的原因之一。四個是相同的，第五個是不同的。原因正是如此，因為在那種高輻射區，任何時候，都可能從四個電腦中的任何一個那裡得到錯誤的答案。第五個電腦的答案才是決勝局。”

這也是當今汽車行業普遍關注的問題，在此方面，先進封裝或能夠解決這些難題。“這在汽車中更糟糕，因為汽車的容錯率更低，”他表示。“如果你的電話出現故障，并做了一些奇怪的事情，你隻需回電。但如果你的汽車出現故障，情況就會很糟糕。”