Berita

Meningkatnya biaya dan kompleksitas pengembangan chip di node yang paling canggih memaksa banyak pembuat chip untuk mulai memecah chip tersebut menjadi beberapa bagian, tidak semuanya memerlukan node edge terdepan.Tantangannya adalah bagaimana menyatukan kembali potongan-potongan yang terpilah itu.

Ketika sistem yang kompleks diintegrasikan secara monolitik - pada satu bagian silikon - produk akhir adalah kompromi di antara batasan anggaran termal perangkat komponen.

NAND 3D memerlukan polisilikon suhu tinggi, misalnya, tetapi suhu yang diperlukan menurunkan kinerja logika CMOS.

Memisahkan memori dan logika ke wafer terpisah memungkinkan produsen untuk mengoptimalkan setiap teknologi secara independen.Integrasi heterogen menjadi lebih menarik karena sensor, transceiver, dan elemen non-CMOS lainnya ditambahkan ke dalam campuran.

Masalahnya adalah bagaimana menghubungkan semua bagian.Integrasi monolitik bergantung pada proses metalisasi backend-of-line (BEOL) yang mapan.Ketika komponen dikemas secara terpisah, pabrikan beralih ke susunan kisi bola dan desain serupa.Tetapi ketika dua atau lebih cetakan dirakit menjadi satu paket, proses yang digunakan untuk menghubungkan mereka terletak di jalan tengah yang tidak ditentukan dengan baik di antara keduanya.

Banyak desain sistem dalam paket mengandalkan koneksi solder.Alat pick-and-place tempatkan cetakan tunggal yang sudah dipasangkan pada interposer atau langsung pada wafer tujuan.Oven aliran ulang menyelesaikan ikatan solder dalam satu langkah keluaran tinggi.Bahan solder yang lebih lembut berfungsi sebagai lapisan yang sesuai, juga, menghaluskan variasi ketinggian yang dapat menurunkan kualitas ikatan.

Sayangnya, teknologi berbasis solder tidak menyesuaikan dengan koneksi kepadatan sangat tinggi yang diminta oleh sensor gambar, memori bandwidth tinggi, dan aplikasi serupa.Proses pengikatan meratakan dan meremas tonjolan solder, sehingga jejak akhir dari ikatan sedikit lebih besar dari pada lempengan tonjolan.Saat nada itu turun, tidak ada ruang cukup untuk solder untuk membuat koneksi yang kuat.Dalam karya yang dipresentasikan pada Konferensi Pengemasan Tingkat Wafer Internasional 2019, Guilian Gao dan rekannya di Xperi memperkirakan bahwa nada minimum yang layak untuk integrasi berbasis solder adalah sekitar 40 mikron.

Sambungan solder Cu-Sn selanjutnya dibatasi oleh sifat mekanik yang buruk, yang berkontribusi pada retakan, kegagalan fatik, dan perpindahan listrik.Industri ini sedang mencari teknologi ikatan solid-state alternatif untuk memfasilitasi penskalaan nada lebih lanjut, tetapi tidak banyak proses yang dapat menandingi kecepatan tinggi, biaya rendah, dan fleksibilitas pengikatan solder.

Misalnya, skema bonding apa pun yang dipilih harus mampu mengakomodasi variasi ketinggian pada bond pad dan interposer.Suhu proses juga harus cukup rendah untuk melindungi semua komponen tumpukan perangkat.Ketika skema pengemasan melibatkan banyak lapisan interposer dan chip yang terpasang, lapisan dasar menghadapi persyaratan termal yang sangat menantang.Setiap lapisan di atas alas mungkin memerlukan langkah pengikatan terpisah.

Salah satu alternatif yang diusulkan, pengikatan langsung tembaga-tembaga, memiliki keuntungan dari kesederhanaan.Tanpa lapisan yang menghalangi, suhu dan tekanan menggabungkan bantalan atas dan bawah menjadi satu bagian logam, membuat sambungan sekuat mungkin.Itulah ide di balik ikatan termokompresi.Pilar tembaga pada satu bantalan korek api mati pada cetakan kedua.Difusi penggerak panas dan tekanan melintasi antarmuka untuk membuat ikatan permanen.Suhu tipikal di kisaran 300 ºC melembutkan tembaga, memungkinkan kedua permukaan menyesuaikan satu sama lain.Namun, pengikatan termokompresi dapat memakan waktu 15 hingga 60 menit, dan membutuhkan atmosfer terkontrol untuk mencegah oksidasi tembaga.

Permukaan yang bersih saling menempel
Sebuah teknik yang terkait erat, ikatan hibrid, mencoba untuk mencegah oksidasi dengan menyematkan logam dalam lapisan dielektrik.Dalam proses damascene yang mengingatkan pada metalisasi interkoneksi wafer, tembaga yang dilapisi akan mengisi lubang yang dipotong menjadi dielektrik.CMP menghilangkan kelebihan tembaga, meninggalkan bantalan ikatan yang tersembunyi relatif terhadap dielektrik.Menempatkan dua permukaan dielektrik dalam kontak menciptakan ikatan sementara.

Dalam karya yang dipresentasikan pada Konferensi Komponen dan Teknologi Elektronik IEEE 2019, para peneliti di Leti mendemonstrasikan penggunaan tetesan air untuk memfasilitasi penyelarasan.Grup Xperi menjelaskan bahwa ikatan ini cukup kuat untuk memungkinkan produsen merakit tumpukan multi-chip lengkap.

Ikatan dielektrik membungkus tembaga, mencegah oksidasi dan memungkinkan peralatan pengikat menggunakan atmosfer sekitar.Untuk membentuk ikatan permanen, pabrikan beralih ke anil yang memanfaatkan koefisien muai panas tembaga yang lebih besar.Dibatasi oleh dielektrik, tembaga dipaksa untuk mengembang pada permukaan bebasnya, menjembatani celah antara dua cetakan.Difusi tembaga kemudian membentuk ikatan metalurgi permanen.Dalam tumpukan yang kompleks, satu langkah anil dapat mengikat semua chip komponen sekaligus.Temperatur anil yang relatif rendah sudah cukup jika tidak ada oksida asli atau penghalang lainnya.

Ketinggian bantalan ikatan ditentukan oleh CMP, proses yang matang dan terkontrol dengan baik.Untuk semua alasan ini, ikatan hibrida wafer-ke-wafer telah digunakan dalam aplikasi seperti sensor gambar selama beberapa tahun.Aplikasi pengikatan wafer-ke-wafer memerlukan penyejajaran bantalan antara wafer dan bergantung pada hasil perangkat yang tinggi untuk meminimalkan kerugian.Cacat mati pada dua wafer tidak mungkin berbaris, jadi cacat pada satu wafer dapat menyebabkan hilangnya chip bagus yang sesuai pada wafer yang cocok.

Ikatan hibrida die-to-wafer dan die-to-interposer berpotensi membuka ruang aplikasi yang lebih besar, memungkinkan sistem heterogen yang kompleks dalam satu paket.Namun, aplikasi ini juga membutuhkan aliran proses yang lebih kompleks.Sementara proses wafer-ke-wafer dan die-to-wafer (atau interposer) menempatkan tuntutan yang sama pada langkah CMP dan ikatan itu sendiri, menangani chip tunggal pasca-CMP lebih menantang.Jalur produksi harus mampu mengontrol partikel yang dihasilkan oleh langkah singulasi yang secara inheren berantakan, menghindari rongga dan cacat ikatan lainnya. Dari Katherine Derbyshire.