Il Fraunhofer Institute for Photonic Microsystems IPMS ha raggiunto un passaggio tecnico importante nello sviluppo di sistemi elettronici basati su chiplet. Il lavoro rientra nella linea pilota europea APECS, dedicata ad advanced packaging, integrazione eterogenea e componenti elettronici ad alte prestazioni. Il risultato riguarda la cosiddetta integrazione quasi-monolitica, o QMI, una tecnica che punta a combinare più componenti elettronici diversi in una struttura molto compatta, vicina per densità a un singolo chip, ma con la flessibilità di un sistema modulare.
Per la stampa 3D non si parla di chip prodotti con tecnologie additive. Il collegamento è un altro: le macchine industriali per manifattura additiva dipendono sempre di più da sensori, controllo in tempo reale, elettronica di potenza, MEMS, telecamere, acquisizione dati e unità di calcolo locali. In una macchina per stampa 3D metallica, polimerica o ceramica, la qualità del pezzo non dipende solo dalla meccanica, ma anche da quanto velocemente il sistema riesce a leggere il processo, interpretare i segnali e correggere parametri come temperatura, energia, movimento, flusso di materiale o atmosfera di lavoro.
Che cosa ha fatto Fraunhofer IPMS
Il gruppo di ricerca ha inserito piccoli chiplet dimostrativi, cioè dummy chiplets, all’interno di cavità strutturate in wafer di silicio. Queste cavità vengono chiamate pockets. Dopo il posizionamento, la superficie è stata livellata con uno strato di passivazione, in modo da preparare il wafer alla successiva fase di cablaggio back-end-of-line, cioè la rete di interconnessioni che mette in comunicazione i diversi elementi elettronici.
Il punto non è solo “mettere più chip vicini”. La difficoltà sta nel creare una superficie sufficientemente planare, stabile e compatibile con i processi successivi della microelettronica. Se i chiplet sono inseriti in modo impreciso o se la superficie non è ben livellata, diventa difficile costruire interconnessioni ad alta densità. Fraunhofer IPMS indica questo passaggio come una tappa della roadmap QMI verso architetture eterogenee scalabili.
Che cosa significa integrazione quasi-monolitica
Un chip monolitico tradizionale integra molte funzioni su un unico pezzo di silicio. È compatto e veloce, ma può diventare costoso e poco flessibile quando bisogna combinare tecnologie diverse. I chiplet risolvono parte del problema: invece di progettare tutto in un solo chip, si usano piccoli blocchi funzionali separati, ciascuno ottimizzato per una funzione specifica, come calcolo, memoria, radiofrequenza, sensori o MEMS.
La QMI cerca una via intermedia. Diversi chiplet funzionali, per esempio CMOS, MEMS o componenti non basati su silicio, vengono integrati su un substrato attivo o passivo e collegati con uno stack comune di interconnessioni. L’obiettivo è ottenere densità di connessione molto elevate, ridurre le distanze dei segnali e mantenere una maggiore libertà nella scelta delle tecnologie da combinare.
Per dirla in modo semplice: invece di avere una scheda elettronica con componenti separati e percorsi lunghi, si prova a costruire un modulo in cui sensore, elettronica di lettura, controllo e connessioni sono molto più vicini tra loro. Questo può ridurre latenza, perdite di segnale, ingombro e punti meccanici deboli.
Perché interessa alle macchine di stampa 3D
Le macchine additive stanno diventando sistemi cyber-fisici complessi. Una stampante 3D industriale può integrare laser, scanner galvanometrici, videocamere ad alta velocità, pirometri, sensori acustici, sensori MEMS, sistemi di controllo del gas, attuatori, motori, logiche di sicurezza e software di monitoraggio. Più il processo è delicato, più serve elettronica vicina al punto in cui il dato nasce.
Nel laser powder bed fusion, per esempio, la lettura del bagno di fusione, delle emissioni ottiche e della temperatura può generare una grande quantità di dati. Nella deposizione diretta di energia, il controllo del filo o della polvere richiede reazioni rapide. Nella stampa 3D polimerica ad alta produttività, sensori e algoritmi possono contribuire a compensare vibrazioni, fluttuazioni termiche o difetti di estrusione. In tutti questi casi, moduli elettronici più compatti e con percorsi di segnale più brevi possono aiutare a portare parte dell’intelligenza direttamente vicino al processo.
Non significa che domani ogni stampante 3D avrà chiplet QMI progettati su misura. Il punto è più industriale: se la microelettronica europea riesce a rendere disponibili moduli di sensori, calcolo e controllo più compatti, robusti e configurabili, anche i produttori di sistemi additive potranno progettare macchine con controllo più integrato, meno cablaggi, minori latenze e maggiore densità funzionale.
Il ruolo del progetto APECS
APECS sta per Advanced Packaging and Heterogeneous Integration for Electronic Components and Systems. È una linea pilota europea nata nel quadro dell’EU Chips Act per dare a industrie, PMI, startup e organizzazioni di ricerca accesso a tecnologie, infrastrutture e competenze legate ai chiplet, all’integrazione di sistema e alla produzione pilota.
Il progetto collega sviluppo, test e produzione su scala pilota, con l’obiettivo di ridurre la distanza tra ricerca e applicazioni industriali. APECS è coordinato dalla Fraunhofer-Gesellschaft e implementato attraverso la Research Fab Microelectronics Germany, nota come FMD.
Il finanziamento è rilevante: la Chips Joint Undertaking indica per APECS un sostegno complessivo di 730 milioni di euro, con contributi della Chips JU e delle autorità nazionali dei paesi partecipanti. Il consorzio riunisce dieci membri da otto paesi europei: Fraunhofer-Gesellschaft, FBH e IHP per la Germania, TU Graz per l’Austria, VTT per la Finlandia, imec per il Belgio, CEA-Leti per la Francia, FORTH per la Grecia, IMB-CNM/CSIC per la Spagna e INL per il Portogallo.
Il contributo specifico di Fraunhofer IPMS
Fraunhofer IPMS lavora in APECS su più livelli. Una parte riguarda il design di sistemi chiplet per calcolo, intelligenza artificiale, sensori MEMS e attuatori. Un’altra parte riguarda tecnologie di integrazione su wafer da 200 e 300 mm, inclusi stacking 3D, integrazione 2.5D a livello wafer, interposer funzionali ad altissima densità e combinazione di chiplet CMOS, MEMS e non-silicio.
L’istituto collabora anche con Fraunhofer IZM-ASSID sulle piattaforme di integrazione 2.5D e 3D. In questo ambito vengono sviluppate tecnologie per impilare wafer CMOS avanzati e wafer eterogenei o multi-materiale non-CMOS, oltre a interposer in silicio capaci di collegare chip diversi con alta densità di connessioni.
Gli interposer sono una parte chiave della discussione. Si possono immaginare come circuiti miniaturizzati in silicio che collegano processori, memorie, sensori e altri componenti. Fraunhofer IPMS lavora su Ultra-High-Density interposers, pensati per sistemi ad alte prestazioni, intelligenza artificiale, Internet of Things e applicazioni dove efficienza energetica e gestione termica sono importanti.
Dal wafer al modulo: dove sta la difficoltà
Quando si uniscono tecnologie diverse, il problema non è solo elettrico. Bisogna considerare compatibilità dei materiali, dilatazione termica, planarità, isolamento, affidabilità meccanica, dissipazione del calore e test. Un chip MEMS può avere vincoli molto diversi da un circuito CMOS; un sensore acustico, un driver ASIC e un acceleratore neuromorfico possono richiedere processi di fabbricazione non identici.
La QMI affronta questo problema integrando i chiplet in un ambiente molto controllato, con cavità nel silicio, passivazione, metallizzazione, micro-via e connessioni ad alta densità. Fraunhofer IPMS cita, tra i propri contributi, attività su pockets, TSV, micro-TSV, posizionamento, bonding, planarizzazione, metallizzazione e interfacce.
Per i produttori di macchine additive, il valore potenziale sta nel poter usare moduli più piccoli, più robusti e più integrati. Un sensore montato vicino alla camera di stampa, un modulo di lettura per monitoraggio acustico o un’unità per controllo locale potrebbero beneficiare di package più compatti e di collegamenti più brevi.
Non solo stampa 3D: AI, sensori e transceiver
Fraunhofer IPMS indica tra le applicazioni della QMI sistemi SoC altamente integrati per intelligenza artificiale, sensori intelligenti e transceiver ad alta larghezza di banda. Questo spiega perché il tema interessa anche oltre la manifattura additiva: automotive, robotica, telecomunicazioni, medicale, difesa, calcolo ad alte prestazioni e sensoristica industriale hanno problemi simili.
La stampa 3D entra in questo scenario come una delle applicazioni che richiedono più dati e controllo locale. Una macchina additiva moderna non è più solo una cinematica con un estrusore o una sorgente energetica. È una piattaforma che deve misurare, correggere e documentare il processo. Più aumenta la richiesta di qualità certificabile, più cresce il bisogno di elettronica integrata.
I dimostratori APECS
All’interno della linea pilota APECS sono previsti quattro dimostratori tecnologici. Fraunhofer IPMS è coinvolto in tre di essi. Uno riguarda moduli per High Performance Computing e hybrid packaging, basati su interposer in silicio con unità di calcolo, acceleratori e memorie ad alta larghezza di banda. In quel caso, l’uso di hybrid bonding e interposer ad alta densità consente l’integrazione di più di cinque chiplet.
Un altro dimostratore riguarda sistemi sensoriali multi-materiale ad alte prestazioni. La sfida è combinare componenti prodotti con processi diversi, come CMOS, post-CMOS, III-V e MEMS. Il dimostratore integra chiplet sensoriali, interposer eterogenei e front-end avanzati per sensori; possono essere aggiunti anche acceleratori neuromorfici per ridurre latenza e consumi.
Questo secondo filone è quello più vicino al mondo delle macchine industriali intelligenti. Sensori più compatti e capaci di elaborare dati localmente possono entrare in robot, sistemi di controllo qualità, macchine utensili e impianti di produzione additiva.
Perché i chiplet sono diventati importanti
La miniaturizzazione tradizionale dei semiconduttori diventa sempre più costosa. Progettare un unico grande chip con tutte le funzioni può essere inefficiente, soprattutto quando alcune parti non hanno bisogno del nodo tecnologico più avanzato. I chiplet permettono di combinare blocchi prodotti con processi diversi, riutilizzare moduli già validati e ridurre i costi migliorando la resa produttiva di chip più piccoli. Fraunhofer IPMS collega questa tendenza anche a efficienza delle risorse, modularità e riuso dei blocchi di progettazione.
Per l’industria europea questo approccio ha anche un valore strategico. APECS è pensato per offrire una piattaforma comune a grandi aziende, PMI, startup e centri di ricerca, evitando che l’accesso a tecnologie di advanced packaging resti limitato a pochi grandi attori globali.
Dove si inserisce la stampa 3D
Nel settore additive manufacturing si parla spesso di materiali, velocità di stampa, produttività e costo pezzo. Meno visibile, ma altrettanto importante, è la parte elettronica. Una macchina che produce componenti certificabili deve controllare parametri, acquisire dati e documentare l’intero ciclo. Questo vale per il metallo, ma anche per polimeri tecnici, ceramiche, compositi e biofabbricazione.
La QMI e i chiplet non cambiano direttamente il modo in cui viene depositato un materiale. Possono però incidere sulla generazione successiva di sistemi: sensori integrati, controllo chiuso più rapido, moduli di ispezione embedded, elettronica di bordo più compatta, unità di calcolo vicine alla sorgente del dato e architetture più robuste per ambienti industriali.
In una macchina per stampa 3D metallica, un modulo sensoriale più denso potrebbe aiutare a leggere segnali ottici, termici o acustici con minore latenza. In una piattaforma polimerica, potrebbe migliorare il controllo di temperatura, vibrazione e movimento. In una macchina multi-materiale, potrebbe contribuire a coordinare più testine, più sensori e più parametri nello stesso ciclo.
Una tecnologia abilitante, non una stampante 3D
È importante non confondere i piani. Il lavoro di Fraunhofer IPMS non consiste nella stampa 3D di semiconduttori né nella costruzione di una nuova stampante 3D. Si tratta di microelettronica avanzata e packaging eterogeneo. La stampa 3D compare come possibile area applicativa perché le macchine additive richiedono elettronica sempre più compatta, sensori più vicini al processo e capacità di elaborazione locale.
Il dimostratore attuale usa chiplet fittizi, quindi non siamo ancora di fronte a un prodotto finito per macchine additive. Fraunhofer IPMS sottolinea però che la catena di processo può essere trasferita ad applicazioni cliente reali, aprendo la strada a un’architettura scalabile per sistemi eterogenei.
Il risultato di Fraunhofer IPMS nella QMI va letto come un tassello dell’elettronica industriale che potrebbe sostenere anche la prossima generazione di sistemi di stampa 3D. Macchine più autonome, controlli più rapidi, sensori più integrati e moduli di elaborazione più vicini alla camera di processo richiedono package elettronici compatti, affidabili e configurabili.
Il progetto APECS, con il coinvolgimento di Fraunhofer-Gesellschaft, FMD, Chips JU, imec, CEA-Leti, VTT, TU Graz, FORTH, IMB-CNM/CSIC, INL, FBH e IHP, mostra la volontà europea di rafforzare la filiera dei semiconduttori non solo sul fronte del chip singolo, ma anche su packaging, integrazione eterogenea, chiplet e produzione pilota. Per la manifattura additiva, questo significa guardare oltre la meccanica della macchina: la qualità del pezzo passerà sempre di più anche dall’elettronica che osserva e controlla il processo.
