Aktualności

Rosnące koszty i złożoność opracowywania chipów w najbardziej zaawansowanych węzłach zmusza wielu producentów chipów do dzielenia tego chipa na wiele części, z których nie wszystkie wymagają wiodących węzłów.Wyzwaniem jest ponowne złożenie tych zdezagregowanych elementów.

Kiedy złożony system jest zintegrowany monolitycznie - na pojedynczym kawałku krzemu - produkt końcowy jest kompromisem między termicznymi ograniczeniami budżetowymi urządzeń składowych.

3D NAND wymaga na przykład polikrzemu wysokotemperaturowego, ale wymagane temperatury obniżają wydajność logiki CMOS.

Dezagregacja pamięci i logiki w celu oddzielenia płytek umożliwia producentom niezależną optymalizację każdej technologii.Integracja heterogeniczna staje się jeszcze bardziej atrakcyjna, gdy do mieszanki dodawane są czujniki, transceivery i inne elementy inne niż CMOS.

Problem w tym, jak połączyć wszystkie elementy.Integracja monolityczna zależy od dobrze ugruntowanych procesów metalizacji backend-of-line (BEOL).Gdy komponenty są pakowane osobno, producenci zwracają się ku siatkom kulkowym i podobnym konstrukcjom.Ale kiedy dwie lub więcej matryc jest montowanych w jednym pakiecie, procesy używane do ich łączenia leżą w słabo zdefiniowanym środku między nimi.

Wiele projektów systemów w opakowaniu opiera się na połączeniach lutowanych.Narzędzia typu „chwyć i umieść” umieszczają wstępnie zderzone pojedyncze wykrojniki na przekładce lub bezpośrednio na docelowej płytce.Piece rozpływowe uzupełniają spoiwa lutownicze w jednym wysokowydajnym kroku.Bardziej miękki materiał lutowniczy służy również jako podatna warstwa, wyrównując różnice wysokości, które w przeciwnym razie mogłyby pogorszyć jakość połączenia.

Niestety, technologia lutowania nie daje się skalować do połączeń o bardzo dużej gęstości, których wymagają czujniki obrazu, pamięć o dużej przepustowości i podobne aplikacje.Proces klejenia spłaszcza i ściska nierówności lutownicze, więc ostateczny ślad spoiwa jest nieco większy niż skok nierówności.W miarę obniżania się wysokości po prostu nie ma miejsca na wystarczającą ilość lutowia, aby wykonać solidne połączenie.W pracy przedstawionej na międzynarodowej konferencji w sprawie pakowania na poziomie płytek w 2019 r. Guilian Gao i współpracownicy z Xperi oszacowali, że minimalna realna podziałka dla integracji opartej na lutowaniu wynosi około 40 mikronów.

Połączenia lutowane Cu-Sn są dodatkowo ograniczone przez słabe właściwości mechaniczne, które przyczyniają się do pęknięć, uszkodzeń zmęczeniowych i elektromigracji.Branża poszukuje alternatywnej technologii spajania półprzewodnikowego, aby ułatwić dalsze skalowanie skoku, ale niewiele procesów może dorównać dużej szybkości, niskim kosztom i elastyczności łączenia lutem.

Na przykład, jakikolwiek wybrany schemat łączenia musi być w stanie dostosować się do zmian wysokości w podkładkach i przekładkach.Temperatura procesu również musi być dostatecznie niska, aby chronić wszystkie elementy stosu urządzeń.Kiedy schematy pakowania obejmują wiele warstw przekładek i dołączonych chipów, warstwa podstawowa ma szczególnie wysokie wymagania termiczne.Każda warstwa powyżej podstawy może wymagać oddzielnego etapu klejenia.

Jedna z proponowanych alternatyw, bezpośrednie wiązanie miedź-miedź, ma zaletę prostoty.Bez warstwy pośredniej, temperatura i ciśnienie łączą górną i dolną podkładkę w jeden kawałek metalu, tworząc możliwie najmocniejsze połączenie.Taka jest idea łączenia termokompresyjnego.Miedziane filary na jednej kostce pasują do podkładek na drugiej kostce.Ciepło i ciśnienie napędzają dyfuzję przez interfejs, tworząc trwałe połączenie.Typowe temperatury w zakresie 300 ºC zmiękczają miedź, pozwalając obu powierzchniom dopasować się do siebie.Jednak wiązanie termokompresyjne może trwać od 15 do 60 minut i wymaga kontrolowanej atmosfery, aby zapobiec utlenianiu miedzi.

Czyste powierzchnie sklejają się
Ściśle pokrewna technika, łączenie hybrydowe, próbuje zapobiec utlenianiu poprzez osadzenie metalu w warstwie dielektrycznej.W procesie damasceńskim, przypominającym metalizację międzykonektami waflowymi, galwanizowana miedź wypełnia otwory wycięte w dielektryku.CMP usuwa nadmiar miedzi, pozostawiając podkładki łączące, które są zagłębione względem dielektryka.Zestykanie dwóch powierzchni dielektrycznych tworzy tymczasowe połączenie.

W pracy przedstawionej na konferencji IEEE Electronic Components and Technology w 2019 r. Badacze z Leti zademonstrowali zastosowanie kropli wody w celu ułatwienia wyrównania.Grupa Xperi wyjaśniła, że ​​ta więź jest wystarczająco mocna, aby umożliwić producentom złożenie kompletnego wieloukładowego stosu.

Wiązanie dielektryczne otacza miedź, zapobiegając utlenianiu i umożliwiając sprzętowi łączącemu pracę w atmosferze otoczenia.Aby utworzyć trwałe połączenie, producenci sięgają po wyżarzanie, które wykorzystuje większy współczynnik rozszerzalności cieplnej miedzi.Zamknięta przez dielektryk miedź jest zmuszona do rozszerzania się na swojej wolnej powierzchni, wypełniając lukę między dwiema matrycami.Dyfuzja miedzi tworzy wtedy trwałe połączenie metalurgiczne.W złożonym stosie jeden etap wyżarzania może łączyć wszystkie wióry składowe jednocześnie.W przypadku braku naturalnego tlenku lub innej bariery wystarczające są stosunkowo niskie temperatury wyżarzania.

Wysokość podkładek wiążących jest określana przez CMP, dojrzały, dobrze kontrolowany proces.Z tych wszystkich powodów hybrydowe wiązanie płytek z płytkami jest od kilku lat stosowane w zastosowaniach takich jak czujniki obrazu.Zastosowania łączenia płytek z płytkami wymagają wyrównania między płytkami i zależą od wysokiej wydajności urządzenia, aby zminimalizować straty.Jest mało prawdopodobne, aby wadliwe matryce na dwóch płytkach były ustawione w jednej linii, więc wada jednej płytki może spowodować utratę odpowiedniego, dobrego chipa w dopasowanej płytce.

Hybrydowe wiązanie typu „die-wafer” i „matryca-interposer” może potencjalnie otworzyć większą przestrzeń aplikacji, umożliwiając tworzenie złożonych heterogenicznych systemów w jednym pakiecie.Jednak aplikacje te wymagają również bardziej złożonych przepływów procesów.Podczas gdy procesy typu wafel-wafer i die-to-wafel (lub interposer) nakładają podobne wymagania na stopień CMP i samo wiązanie, obsługa pojedynczych chipów po CMP jest trudniejsza.Linia produkcyjna musi być w stanie kontrolować cząstki wytwarzane przez nieodłącznie bałaganiarski etap oddzielania, unikając pustek i innych defektów wiązania. Od Katherine Derbyshire.