La gestione termica avanzata degli imballaggi sta rimodellando la domanda di lavorazioni meccaniche di precisione CNC per hardware AI, EV e ottico

Nell'era post-Legge di Moore, le prestazioni dei semiconduttori non sono più determinate solo dal ridimensionamento dei transistor. L’innovazione dei materiali, l’imballaggio avanzato e il controllo termico a livello di sistema stanno diventando altrettanto importanti. Chiplet, integrazione 2.5D/3D, dispositivi di alimentazione SiC/GaN, chip di comunicazione ottica InP e hardware per data center AI stanno cambiando il modo in cui gli acquirenti acquistano pezzi meccanici di precisione CNC.

Per i responsabili degli acquisti, gli ingegneri della ricerca e sviluppo e i project manager in India e nelle Americhe, la lavorazione CNC non si limita più a semplici alloggiamenti o piastre strutturali. Piastre di raffreddamento a liquido, piastre base pin-fin, involucri di schermatura RF, alloggiamenti di ricetrasmettitori ottici, supporti per wafer e dispositivi di imballaggio in PEEK sono ora collegati alle prestazioni del chip, alla stabilità termica, alla ripetibilità dell'assemblaggio e al controllo del rischio di produzione in batch.

Questo articolo spiega perché le parti di semiconduttori in alluminio di precisione si stanno spostando da componenti di supporto ad hardware funzionale in imballaggi avanzati e sistemi di semiconduttori ad alta potenza.

Perché il packaging avanzato crea una nuova domanda di lavorazione CNC

Il packaging avanzato integra più chip, memoria, acceleratori, strutture di interconnessione e materiali funzionali in un pacchetto più compatto. I materiali SEMI sul packaging avanzato evidenziano l'integrazione 2.5D/3D, il packaging fan-out a livello di wafer, le architetture basate su chiplet e l'I/O ottico come importanti direzioni del settore [1].

Questa integrazione può migliorare le prestazioni a livello di sistema, ma accorcia anche i percorsi termici, aumenta la diafonia termica e aumenta la difficoltà dell'allineamento meccanico. Per i fornitori di lavorazioni CNC, l’opportunità non è la lavorazione del chip stesso. L'opportunità è produrre strutture di raffreddamento ripetibili, dispositivi di imballaggio, strutture portanti e involucri di schermatura attorno al sistema a semiconduttore.

Le parti tipiche includono piastre di raffreddamento a liquido lavorate a CNC, piastre base pin-fin in alluminio, supporti wafer in alluminio anodizzato, dispositivi di imballaggio in PEEK, alloggiamenti di ricetrasmettitori ottici e involucri di schermatura RF.

I data center e i moduli di alimentazione AI stanno guidando la domanda di raffreddamento a liquido

I server AI e l’hardware informatico ad alte prestazioni continuano ad aumentare la densità di potenza. Il tradizionale raffreddamento ad aria sta diventando insufficiente per alcuni sistemi ad alta densità. Una recente copertura del settore mostra che il raffreddamento a liquido diretto su chip sta diventando una direzione pratica per l’infrastruttura AI, utilizzando piastre fredde per raffreddare CPU e GPU direttamente all’interno di sistemi a circuito chiuso [3].

Questa tendenza cambia i requisiti di lavorazione. Una piastra di raffreddamento a liquido non è una semplice piastra di alluminio. È un componente funzionale con canali interni, superfici di tenuta, superfici di montaggio e interfacce termiche. Per una piastra di raffreddamento a liquido lavorata a CNC, gli acquirenti devono rivedere il design del canale, le scanalature di tenuta, le porte di ingresso e uscita, i requisiti di planarità, la ruvidità superficiale, i test di pressione e la pianificazione dell'ispezione dei lotti.

Nei moduli di potenza SiC/GaN, una tensione più elevata, una frequenza più elevata e una densità di potenza più elevata possono creare fonti di calore concentrate. Le piastre base pin-fin in alluminio, le piastre base con raffreddamento a liquido e gli alloggiamenti dei moduli di potenza possono richiedere alluminio 6061/7075, fresatura CNC, foratura, maschiatura e trattamento superficiale. I requisiti materiali e dimensionali finali dovrebbero essere determinati dai disegni del cliente, dalla simulazione termica, dal design della tenuta e dalle condizioni di lavoro.

I moduli ottici e RF InP necessitano di involucri schermanti più precisi

Nella comunicazione ottica, nelle interconnessioni dei data center e nei moduli RF, InP e materiali correlati vengono spesso utilizzati per dispositivi optoelettronici e a radiofrequenza ad alta velocità. Questi sistemi non sono solo sensibili al calore. Sono inoltre sensibili alle interferenze elettromagnetiche, alla riflessione del segnale, all'allineamento della cavità, alla posizione del connettore e al trattamento superficiale.

Gli involucri di schermatura RF e gli alloggiamenti dei ricetrasmettitori ottici richiedono in genere dimensioni della cavità, spessore delle pareti, fori di montaggio, aperture dei connettori e condizioni della superficie controllati. Per i requisiti di schermatura conduttiva, la nichelatura o un altro trattamento superficiale conduttivo possono diventare parte del progetto.

Se i disegni del cliente richiedono dimensioni critiche fino a ±0,005 mm, il fornitore deve valutare il processo di lavorazione CNC, il percorso utensile, il metodo di fissaggio, l'ispezione CMM e la modifica dimensionale post-placcatura. Invece di dire solo “alta precisione”, il fornitore dovrebbe definire quali fori, cavità, superfici di riferimento e interfacce di connessione richiedono l’ispezione.

I supporti per wafer e i dispositivi di imballaggio sono esigenze nascoste nella produzione di imballaggi avanzati

L'imballaggio avanzato non richiede solo chip e attrezzature per l'imballaggio. Richiede inoltre un gran numero di componenti hardware di produzione di supporto, come supporti per wafer di fascia alta, dispositivi di imballaggio, dispositivi di test, piastre di allineamento e vassoi di movimentazione. Queste parti non sono accessori del prodotto finale. Supportano la lavorazione, la movimentazione, il posizionamento, il test e la produzione ripetuta.

I supporti in alluminio anodizzato possono essere adatti quando sono richiesti struttura leggera, controllo dimensionale e protezione superficiale. Gli apparecchi in PEEK possono essere presi in considerazione quando le condizioni di lavoro richiedono resistenza alla temperatura, isolamento elettrico, resistenza chimica o compatibilità con l'ambiente pulito. La selezione del materiale finale dovrebbe basarsi sulla temperatura del processo, sull'esposizione chimica, sul metodo di bloccaggio e sui requisiti di pulizia.

Per i fornitori di CNC, la sfida principale non è solo l’aspetto del singolo pezzo. Si tratta di posizionamento ripetibile, consistenza dei lotti, relazione dei fori, planarità, trattamento dei bordi e registrazioni di ispezione. Per la produzione in lotti di lavorazione CNC personalizzata di medie e grandi dimensioni, l'approvazione del primo articolo, i rapporti CMM, la tracciabilità dei materiali e la coerenza del trattamento superficiale sono particolarmente importanti.

Diverse priorità di approvvigionamento in India e nelle Americhe

Gli acquirenti nelle Americhe spesso si concentrano su sistemi di qualità, tracciabilità dei materiali, report CMM, ispezione del primo articolo, documentazione di processo e stabilità della fornitura a lungo termine. Per le parti di semiconduttori in alluminio di precisione, il controllo di qualità ISO 9001, i registri di ispezione delle dimensioni critiche, i registri di trattamento superficiale e la coerenza dei lotti possono influenzare direttamente la qualificazione dei fornitori.

L’India si concentra sia sull’espansione della capacità che sulla stabilità delle consegne. Le informazioni pubbliche provenienti dalla Missione di Semiconduttori in India e le relazioni sul mercato mostrano una continua attività di progetti di semiconduttori, inclusi semiconduttori composti, OSAT, ATMP e investimenti relativi a imballaggio/test [4] [5]. Ciò significa che gli acquirenti indiani potrebbero avere sempre più bisogno di partner di lavorazione CNC in grado di supportare la transizione dal prototipo alla produzione di lotti piccoli e medio-grandi.

Per entrambi i mercati, i team di procurement dovrebbero fornire file STEP/IGS, disegni 2D, requisiti dei materiali, requisiti del trattamento superficiale, dimensioni critiche, requisiti del rapporto di ispezione, quantità stimata e ambiente di lavoro finale prima del preventivo. Informazioni di input migliori portano a revisioni DFM, preventivi e pianificazione dei tempi di consegna più accurati.

Conclusione

Packaging avanzati, data center AI, moduli di potenza SiC/GaN e comunicazione ottica InP stanno spostando la domanda di lavorazione CNC da semplici parti strutturali verso hardware funzionale. Le piastre di raffreddamento a liquido definiscono i percorsi termici. Le custodie di schermatura RF supportano l'integrità del segnale. I supporti per wafer e gli elementi di fissaggio in PEEK influiscono sul posizionamento ripetibile e sulla coerenza dei lotti nella produzione di imballaggi.

Per i clienti di semiconduttori, veicoli elettrici, hardware AI e comunicazioni ottiche in India e nelle Americhe, i chip di prossima generazione possono funzionare come previsto solo quando gli alloggiamenti circostanti, le piastre di raffreddamento, i dispositivi e i supporti vengono prodotti, ispezionati e rifiniti secondo i disegni e le condizioni di lavoro.