汽车芯片先进封装“，

在处理大量和不同类型的数据时，多种类型的芯片可能比一种更好，但在汽车应用中，它们应该如何打包，甚至是否应该打包在一起，还不完全清楚。

车载电子设备最大的问题是极端的温度范围，无论是车内还是车内。如果没有足够的冷却，芯片会过早老化，信号会漂移，在某些情况下，芯片可能会停止正常工作。然而，冷却增加了复杂性、成本和另一个可能的故障点，这对汽车制造商和芯片设计师来说是一个艰难的决定。

“无论你从哪里看，每个模块都有热限制，因为每个模块都是封闭的，”威拉德·屠(Willard Tu)说赛灵思公司．“他们总是试图把它们塞进奇怪的小点。有些模块的缺点是它们更容易受到环境热量积聚的影响。”

例如，挡风玻璃上的前视摄像头处于特别恶劣的环境中，因为阳光直射在挡风玻璃上。Tu说:“这意味着模块本身会自然升温，不仅仅是电子设备的热量，还有环境条件。”“无论是热还是冷，温度的波动也会带来挑战。”

靠近引擎使得包装设计特别具有挑战性。公司产品营销总监Marc Swinnen表示:“发动机会发热，还有动力电路。有限元分析软件．“与此同时，汽车中有很多电子设备与发动机并不是很接近，比如信息娱乐系统。此外，自动驾驶电子设备并不一定与发动机紧密相连，因此特殊的热约束只适用于电子设备的一个子集。其余的可以安置在一个普通的电子外壳，座位下或仪表盘。”

虽然这类决策可能还没有引起大多数消费电子设计团队的注意，但汽车和卡车寿命的延长以及车辆中处理的数据量需要一些复杂的设计和冷却技术。问题是，在这种极端条件下进行先进芯片设计的历史很少，目前在最先进的工艺节点或先进的封装中还没有使用的设计。

考虑包括高度信号处理的芯片，如4D成像雷达或激光雷达。

Tu说:“在这里，热始终是一个问题，传统上，业界通过摩尔定律来解决这个问题，使晶体管门的长度更小。这样，在设备运行时，有功功率始终较低。当设备坐着什么都不做时，静态功率实际上会稍微高一些，但设备通常在大多数时间是“打开”的，而不是“关闭”的。我们只在应用程序可能会影响电池时才会担心“关闭”。这是一个令人感兴趣的领域，因为大多数汽车制造商都在增加电池的尺寸。”

摩尔定律在历史上，它提供了减少热量和更好的性能的附带好处，但在每个新节点上，这些好处正在减少。“并不是所有公司都在从28nm到16nm，再到7nm，再到5nm到3nm，等等，”Tu说，“现在的挑战是成本导向的，这意味着许多公司都在回避转向5nm或3nm节点，因为市场可能不再负担得起。因此，他们正在寻求以其他方式解决热减缓问题，并开始关注系统层面，而不是缩小。”

这发挥了的力量fpga与传统的asic相比，这种芯片每个时钟周期可以执行更多的计算。Tu说:“当你观察散热时，最大的贡献者之一是SoC的时钟频率。”“如果设备工作在1或2 GHz，这就是热计算能力的主要发电机。但在FPGA中，不是只有一根管道通过，而是可以配置为五根或六根管道。因此，对于每个时钟周期，执行5或6条指令。这个设备不是有一个CPU或多个CPU在一个时钟频率上运行，而是有10到20个专门的管道进行大量的信号处理。”

它还发挥了汽车某些部件先进包装的优势。但有些方法在车辆的某些部分会比其他方法更有效，而这只是现在才研究出来的。

解决热问题的策略
对于所有瞄准汽车市场的芯片制造商，以及开发先进封装技术的公司来说，散热挑战显然是首要问题。

该公司多物理系统分析产品营销总监Melika Roshandell表示:“对于每个使用该技术的领域，基本挑战总是相同的。节奏．“在汽车行业，挑战就来了，因为你在更高的环境温度下启动，这意味着挑战会更高一些。但无论其他行业采用何种策略，都可以应用于汽车行业。汽车也有一个更大的空间的好处，所以其他热改进可以在设计中更多地使用，比如说，手机。这意味着风扇是一个选项。散热器?这也是一个选择。”

要使这项工作按计划进行，需要对不同电气部件的热进行记录。过去，这是用稳态分析来完成的印刷电路板，但这并没有提供足够的细节来进行评估。

Roshandell说:“因此，由于可靠性要求，电热联合仿真在汽车领域变得非常重要。“你不想在两年内把你的车扔掉。你希望它能持续很长时间。这种类型的联合模拟显示了在一定时间内，温度如何以瞬态方式影响加热和IR下降等。”

图1:不同的高级包装方案。来源:节奏

尽管汽车行业几乎没有先进电子产品的经验，但这一过程是众所周知的。“汽车行业的好处是有大量的监管，这迫使大量的分析和簿记，”John Ferguson说西门子数字工业软件．“他们已经很好地描述了温度条件，以及什么会导致他们系统内的温度条件。一旦你知道了这一点，那么你至少离了解如何设计一堆可以用于这种情况的芯片又近了一步。”

热量和记忆
先进电子产品的一个关键问题是热量对记忆的影响。而动态随机存取记忆体被认为是非常可靠的，但在极端炎热的环境中就不那么可靠了。这在汽车应用中尤其麻烦，因为从整个车辆的传感器生成的大量安全相关数据需要在某个地方进行处理和存储，并且访问需要非常快。此外，该数据需要保持完整和未损坏。

一个可能的解决方案包括高带宽内存(HBM)，它基本上是在一个模块内堆叠DRAM芯片。“自HBM2以来，用户一直在考虑将HBM安装到车辆中，”at内存接口IP产品营销经理Brett Murdock表示Synopsys对此．“真正的挑战在于内存方面，因为汽车环境的高温使其具有挑战性。它很快就会变得很热，而记忆在热的时候很臭。有趣的是，对于HBM3，在标准任务组中显示，人们对计算出HBM3设备的汽车温度范围很感兴趣。如果供应商能够解决汽车方面的问题，就可以为HBM设备打开一个高需求市场。”

要做到这一点，它们必须能够承受汽车级别的温度波动。“今天，HBM的头号用途是图形处理器，配有大型散热器和/或液体冷却，”Murdock说。“这是需要解决的首要问题。HBM最初被认为是一种3D技术，可以安装在CPU上，但由于温度的原因，这是不可能的。它变得太热了，这就是为什么它会变成2.5D的原因。你把一个巨大的散热器放在整个包的顶部，把所有的热量都放掉，这意味着堆叠的模具是个问题。那么把它放在汽车环境中就会是个问题。供应商正试图解决这个问题，因为他们看到了那里的需求，也看到了机会。”

从可靠性的角度来看，使用中间体增加了另一个潜在的问题。他说:“汽车环境中的机械连接是你在制作电路板时要处理的问题，但我认为没有人真正通过了所有的思考过程或验证过程，来确定插入器的外观，以及它是否合适。”“但这是一个小得多的问题。如果热量问题解决了，那么机械问题是次要的。”

如果这些问题能够得到解决，生态系统可以很快为HBM3创建汽车内存IP。默多克表示:“在2023年底/ 2024年初，我们可能会看到汽车设计开始采用HBM，并配备合格的汽车零部件。”

堆积死
到目前为止，真正的3D封装在汽车芯片上还没有出现，而且由于散热和形状因素等问题，它也不太可能实现。

西门子的Ferguson说:“制造非常薄的部件可能更容易，你可以把它们放在发动机或汽车内部的任何地方。”“如果你有半英寸或一英寸高的东西，可能就更难挤进去了。这当然是考虑因素之一。”

但汽车只是汽车基础设施的一部分。堆叠模具可以在数据中心内发挥重要作用，该数据中心将收集并快速处理数百万辆汽车产生的数据。

Cadence负责IC封装和跨平台解决方案的产品管理总监John Park表示:“如果你想到特斯拉这样的汽车制造商，汽车中的电子产品必须高度可靠，不受振动和热影响，重量要轻，而且不需要大量冷却。”“但那辆车与一个服务器群对话，那里有很多人工智能的事情发生。图像被快速发送到这个AI农场，该农场可能处于液冷类型的环境中。就汽车本身而言，我不认为有什么大的理由去进行大量的3D集成，不仅是因为散热，还因为成本、可靠性和其他因素。然而，在与特斯拉通话的家庭控制中心，这是另一回事。如果你是一家汽车公司，我认为你不会在主流汽车上坚持这种做法。就像特斯拉这样的公司，以及人们想要做的所有自动驾驶/自动驾驶仪的事情，人们愿意为此支付溢价。在那里，这可能对那些正在建造的汽车类型有一定的意义。”

更有可能的是，不同的多模方法将用于车辆内部。Cadence公司多物理系统分析产品管理总监布拉德·格里芬(Brad Griffin)表示:“这无疑是一种进化。“也许汽车领域对异构集成的需求不像小型设备那样苛刻，但我们看到汽车市场上越来越多的组件变成了电动，这样就会朝着至少2.5D集成硅中间体的方向发展。”

汽车生态系统正在研究ecu和其他类型的设备，这些设备将用于汽车应用。格里芬说:“在这种迁移中发生的很大一部分事情是，人们担心能够用电模拟一切将如何工作。”“工程团队习惯于在不同的芯片或组件之间的信号之间有更多的空间，由于所有东西都压缩在2.5D、3D IC或混合芯片堆栈中，在这些之间有很多信号。它们在硅中间层上靠得很近，所以必须对这些信号进行建模和提取。而不是一两个，或者最坏的情况。他们想做完整的数据总线或完整的系统本身。”

宇宙的影响
还有其他问题需要解决，在这个领域，不同的包装技术发挥着特别重要的作用。随着越来越多的电子设备被添加到交通工具中，它们也会受到与其他电子设备相同的宇宙效应的影响。芯片越先进，电路越密集，单个阿尔法粒子就越有可能翻转多个内存位，而不是一个。

Ansys的Swinnen说:“它们一直都在穿过我们，如果它们在正确的时间击中了正确的内存位，它们就可以翻转内存位。”“所以芯片中的任何触发器都可以在任何时候随机翻转，如果它在正确的时间受到正确的宇宙射线的撞击。在军事/航空应用中，他们试图通过将电路放在金属盒中来保护设备，这些金属盒可以在一定程度上保护这些颗粒。”

由于大气层高层和深空的高辐射，空间电子设计人员非常清楚这种影响。“在地球上，这是一种it瞬态故障机制，你可以通过屏蔽来解决。这通常是不可能做到的，所以你只能接受它，”Swinnen说。“但这随时都可能发生。这就是为什么，当最初的航天飞机升空时，有五台多余的计算机。四个是一样的，第五个是不同的。原因正是如此，因为你在高辐射区。在任何时候，你都可能从这四个人中得到一个错误的答案。第五局是决胜局。”

这也是当今汽车行业的一个大问题，但这也是先进包装可以提供帮助的领域。他说:“在汽车里，这种情况更糟糕，因为你的容忍度更低。”“如果你的手机出了故障，做了一些奇怪的事情，哦，好吧，你就回电话。但如果你的车出了故障，情况可能会更糟。”