Рентгеновский контроль оптических модулей в эпоху AI+: проблемы с производительностью и внедрение предварительного контроля

Нам редко удается увидеть вычислительную мощность в ее осязаемой форме.

Он лежит в основе каждого мгновенного ответа системы, каждого изображения, созданного искусственным интеллектом, и каждого интеллектуального интерактивного ответа.

ИИ меняет требования к упаковке

Благодаря стремительному развитию крупных моделей искусственного интеллекта спрос на вычислительную мощность растет беспрецедентными темпами. В основе кластеров графических процессоров, серверов искусственного интеллекта и высокоскоростных оптических модулей 800G/1,6T лежит ключевой общеотраслевой вопрос: может ли производительность вычислений продолжать устойчиво расти?

Поскольку процессы производства полупроводников приближаются к физическим границам, отрасль достигла консенсуса, что традиционная миниатюризация транзисторов сама по себе больше не может одновременно удовлетворять множеству критически важных спецификаций:

• Более высокая пропускная способность

• Сниженное энергопотребление

• Меньшая задержка

• Повышенная эффективность связи

• Повышенная плотность интеграции

Пропускная способность данных между массивами графических процессоров растет экспоненциально, особенно в рабочих нагрузках по обучению искусственного интеллекта. Одних только быстрых вычислений уже недостаточно; не менее важным является высокоскоростная передача данных между чипами.

—Схема упаковки CoWoS—

На этом фоне усовершенствованная упаковка стала важнейшим путем к постоянному повышению производительности вычислений. Передовые решения, включая CoWoS, HBM и Chiplet, наряду с быстро развивающимися оптическими модулями, по сути, разработаны для решения одной основной задачи:
как обеспечить более высокую плотность и более скоростные соединения при уменьшающейся занимаемой площади.

Какие структурные проблемы создают оптические модули для рентгеновского контроля?

Оптические модули по своей сути предназначены для оптоэлектронного преобразования сигналов и высокоскоростной передачи данных. Развернутые на серверах искусственного интеллекта и центрах обработки данных, они соединяют графические процессоры, коммутационные чипы и высокоскоростные сети, выступая в качестве основного звена, управляющего эффективным потоком данных во всех вычислительных системах.

—Схематическое изображение компонентов оптического модуля—

Хотя внешне оптические модули кажутся стандартизированными металлическими компонентами, они объединяют в себе сложные внутренние сборки, включая оптические устройства, микросхемы драйверов, подложки, паяные соединения, тепловые структуры и сложные межсоединения во время производства. Ввиду тенденции к более высокой скорости передачи данных и миниатюризации все эти компоненты компактны в ограниченном внутреннем пространстве, что существенно повышает сложность проверки.

Следовательно, внешний визуальный осмотр не может подтвердить внутреннее качество продукции. Рентген остается основным методом неразрушающего контроля для выявления скрытых дефектов, таких как неправильная пайка, неправильные внутренние соединения, несоосность сборки, пустоты, посторонние загрязнения и дефекты, скрытые под перекрывающимися конструкциями.

—Рентгеновское изображение оптического модуля для наблюдения за внутренними соединениями, паяными соединениями, позициями сборки и скрытыми дефектами—

Внутри оптического модуля содержится множество разных материалов, включая металлические корпуса, подложки, выступы припоя, полупроводниковые чипы и компоненты рассеивания тепла. Различные коэффициенты поглощения рентгеновских лучей в разных зонах часто приводят к неравномерному отображению: слишком затемненные толстые срезы и чрезмерно осветленные тонкие срезы. Таким образом, становится технически сложно сохранить структурную четкость областей с высокой плотностью изображений, одновременно захватывая мелкие детали припоя в низкоконтрастных областях в пределах одного кадра.

Более того, обычный рентген дает двухмерную проекцию трехмерной внутренней архитектуры. В оптических модулях с большим количеством наложенных друг на друга слоев перекрывающиеся компоненты, различные материалы и многослойные соединения имеют тенденцию скрывать мельчайшие дефекты на фоне сложных фоновых особенностей. Короче говоря, рентгеновские лучи могут проникать внутрь помещений, но не всегда могут четко выявить тонкие недостатки.

Мультипликативный эффект на объемы добычи и миграцию системы предварительного контроля

В эпоху традиционной упаковки финальное тестирование в основном служило контролем качества после полного завершения упаковки. Напротив, в рамках передовых парадигм упаковки самый большой риск больше не заключается в неэффективном контроле, а скорее в запоздалом выявлении дефектов.

—Система рентгеновского контроля UniXray AX9100 для неразрушающего контроля внутренних структур и микродефектов внутри оптических модулей и других электронных компонентов—

Поскольку высокопроизводительные оптические модули, графические процессоры и пакеты HBM объединяют все большее количество кристаллов, крошечные дефекты на одном кристалле больше не наносят вред только отдельному чипу, но могут привести к полному выходу из строя всего дорогостоящего модуля. Незначительные колебания производительности в несколько процентных пунктов — это просто нормальные технологические отклонения при обычном производстве микросхем, однако в усовершенствованной упаковке с несколькими кристаллами такие отклонения могут определять жизнеспособность всего дорогостоящего компонента.

Предположим, что доходность одного штампа составляет 99%, а один расширенный пакет включает в себя 10 штампов, теоретический общий выход модуля рассчитывается как:

Если незначительное изменение процесса приведет к снижению выхода одного кристалла с 99% до 95%, теоретический общий выход модуля резко упадет до:

Казалось бы, скромное снижение производительности одного кристалла на 4% усиливается экспоненциально в многокристальных архитектурах. Это суровая реальность современной упаковки: для дорогостоящих продуктов, включая графические процессоры, HBM и высокоскоростные оптические модули, любой дефектный кристалл, попадающий в последующую упаковку, несет убытки, намного превышающие стоимость самого кристалла. Дополнительные отходы возникают из-за использованных упаковочных материалов, процессов соединения, монтажа компонентов, проверки и полного использования ресурсов производственной линии.

Что еще более важно, большинство дефектов, обнаруженных только после окончательной упаковки, не оставляют возможности для недорогого устранения. Таким образом, традиционный рабочий процесс «сначала упаковка, потом тестирование» переворачивается, смещая проверку от конечной проверки результатов к восходящему перехвату рисков. Проще говоря:

чем выше стоимость современной упаковки, тем менее жизнеспособной становится проверка только на заключительном этапе.

Предварительная проверка — это нечто большее, чем тривиальная корректировка технологического процесса; это стало неизбежной реакцией отрасли на фоне растущего давления на производство современной упаковки.

Для высокотехнологичного производства основные приоритеты выходят за рамки выпуска готовой продукции и включают раннее выявление скрытых производственных рисков.