ฮอเร็กซ์ กรุ๊ป
January 19, 2021
ต้นทุนและความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้นของการพัฒนาชิปที่โหนดที่ทันสมัยที่สุดกำลังบังคับให้ผู้ผลิตชิปหลายรายเริ่มแยกชิปนั้นออกเป็นหลายส่วนซึ่งไม่ใช่ทั้งหมดที่ต้องใช้โหนดขอบชั้นนำความท้าทายคือจะนำชิ้นส่วนที่แยกไม่ออกเหล่านั้นกลับมารวมกันได้อย่างไร
เมื่อระบบที่ซับซ้อนถูกรวมเข้าด้วยกันแบบเสาหิน - บนชิ้นส่วนของซิลิกอนชิ้นเดียวผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายคือการประนีประนอมท่ามกลางข้อ จำกัด ด้านงบประมาณด้านความร้อนของอุปกรณ์ส่วนประกอบ
3D NAND ต้องการโพลีซิลิคอนที่มีอุณหภูมิสูง แต่อุณหภูมิที่ต้องการจะลดประสิทธิภาพของตรรกะ CMOS
การแยกหน่วยความจำและตรรกะออกจากกันเพื่อแยกเวเฟอร์ช่วยให้ผู้ผลิตปรับแต่งเทคโนโลยีแต่ละอย่างได้อย่างอิสระการผสานรวมแบบต่าง ๆ จะน่าสนใจยิ่งขึ้นเมื่อมีการเพิ่มเซ็นเซอร์ตัวรับส่งสัญญาณและองค์ประกอบอื่น ๆ ที่ไม่ใช่ CMOS เข้าไปในส่วนผสม
ปัญหาคือวิธีการเชื่อมต่อชิ้นส่วนทั้งหมดการรวมเสาหินขึ้นอยู่กับกระบวนการ metallization แบ็กเอนด์ออฟไลน์ (BEOL) ที่ได้รับการยอมรับอย่างดีเมื่อส่วนประกอบถูกบรรจุแยกจากกันผู้ผลิตหันไปใช้อาร์เรย์กริดลูกและการออกแบบที่คล้ายคลึงกันแต่เมื่อมีการประกอบแม่พิมพ์สองชิ้นขึ้นไปเป็นชุดเดียวกระบวนการที่ใช้ในการเชื่อมต่อจะอยู่ในพื้นกลางที่กำหนดไว้ไม่ดีระหว่างทั้งสองชิ้น
การออกแบบระบบในแพ็คเกจจำนวนมากอาศัยการเชื่อมต่อแบบบัดกรีเครื่องมือ Pick-and-place จะวางแม่พิมพ์ซิงเกตที่มีการกระแทกไว้ล่วงหน้าบนตัวประสานหรือโดยตรงบนเวเฟอร์ปลายทางเตาอบ Reflow ทำให้พันธะบัดกรีสมบูรณ์ในขั้นตอนเดียวที่มีปริมาณงานสูงวัสดุบัดกรีที่นิ่มกว่านี้ทำหน้าที่เป็นชั้นที่เข้ากันได้เช่นกันโดยจะปรับความสูงที่แตกต่างกันออกไปซึ่งอาจทำให้คุณภาพของพันธะลดลง
น่าเสียดายที่เทคโนโลยีที่ใช้การบัดกรีไม่ได้ปรับขนาดไปสู่การเชื่อมต่อที่มีความหนาแน่นสูงมากซึ่งเซนเซอร์ภาพหน่วยความจำแบนด์วิธสูงและแอปพลิเคชันที่คล้ายคลึงกันต้องการกระบวนการเชื่อมจะแบนและบีบบัดกรีดังนั้นรอยสุดท้ายของพันธะจึงมีขนาดใหญ่กว่าระยะพิทช์กระแทกเล็กน้อยเมื่อระดับเสียงดังกล่าวลดลงก็ไม่มีที่ว่างเพียงพอสำหรับการบัดกรีที่จะทำการเชื่อมต่อที่แข็งแกร่งในผลงานที่นำเสนอในการประชุม International Wafer-Level Packaging Conference ปี 2019 Guilian Gao และเพื่อนร่วมงานที่ Xperi คาดการณ์ว่าระยะห่างขั้นต่ำที่ทำงานได้สำหรับการผสานรวมแบบบัดกรีคือประมาณ 40 ไมครอน
ข้อต่อประสาน Cu-Sn ถูก จำกัด ด้วยคุณสมบัติเชิงกลที่ไม่ดีซึ่งมีส่วนทำให้เกิดรอยแตกความเมื่อยล้าล้มเหลวและการเคลื่อนย้ายด้วยไฟฟ้าอุตสาหกรรมกำลังมองหาเทคโนโลยีการเชื่อมแบบโซลิดสเตตทางเลือกเพื่ออำนวยความสะดวกในการปรับขนาดพิทช์ต่อไป แต่มีกระบวนการไม่มากที่สามารถจับคู่ความเร็วสูงต้นทุนต่ำและความยืดหยุ่นในการเชื่อมประสาน
ตัวอย่างเช่นรูปแบบการเชื่อมใด ๆ ที่เลือกจะต้องสามารถรองรับการเปลี่ยนแปลงความสูงในแผ่นรองและตัวคั่นอุณหภูมิของกระบวนการต้องต่ำพอที่จะป้องกันส่วนประกอบทั้งหมดของอุปกรณ์เมื่อโครงร่างบรรจุภัณฑ์เกี่ยวข้องกับตัวคั่นหลายชั้นและชิปที่ติดอยู่ชั้นฐานจะต้องเผชิญกับข้อกำหนดด้านความร้อนที่ท้าทายเป็นพิเศษแต่ละชั้นเหนือฐานอาจต้องใช้ขั้นตอนการเชื่อมแยกกัน
ทางเลือกหนึ่งที่เสนอคือการเชื่อมตรงทองแดง - ทองแดงมีข้อดีคือความเรียบง่ายเมื่อไม่มีชั้นแทรกแซงอุณหภูมิและแรงดันจึงหลอมรวมแผ่นอิเล็กโทรดด้านบนและด้านล่างให้เป็นโลหะชิ้นเดียวทำให้การเชื่อมต่อที่แน่นหนาที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้นั่นคือแนวคิดเบื้องหลังพันธะการบีบอัดด้วยความร้อนเสาทองแดงบนแผ่นไม้ขีดหนึ่งอันบนดายที่สองการแพร่กระจายของไดรฟ์ความร้อนและความดันทั่วส่วนต่อประสานเพื่อสร้างพันธะถาวรอุณหภูมิโดยทั่วไปในช่วง 300 ºCจะทำให้ทองแดงอ่อนตัวลงทำให้พื้นผิวทั้งสองสอดรับกันการเชื่อมด้วยเทอร์โมคอมเพรสชันอาจใช้เวลา 15 ถึง 60 นาทีและต้องการบรรยากาศที่มีการควบคุมเพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันของทองแดง
พื้นผิวที่สะอาดติดกัน
เทคนิคที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดคือพันธะไฮบริดพยายามป้องกันการเกิดออกซิเดชันโดยการฝังโลหะไว้ในชั้นอิเล็กทริกในกระบวนการดามัสกัสที่ชวนให้นึกถึงการเคลือบโลหะแบบเชื่อมต่อระหว่างเวเฟอร์ทองแดงที่ผ่านการชุบด้วยไฟฟ้าจะเติมลงในรูที่ตัดเป็นอิเล็กทริกCMP จะขจัดทองแดงส่วนเกินออกโดยเหลือแผ่นรองที่ปิดภาคเรียนเมื่อเทียบกับอิเล็กทริกการวางพื้นผิวอิเล็กทริกทั้งสองสัมผัสกันจะสร้างพันธะชั่วคราว
ในผลงานที่นำเสนอในการประชุมส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์และเทคโนโลยี IEEE ปี 2019 นักวิจัยจาก Leti ได้สาธิตการใช้หยดน้ำเพื่ออำนวยความสะดวกในการจัดตำแหน่งกลุ่ม Xperi อธิบายว่าพันธะนี้แข็งแรงพอที่จะทำให้ผู้ผลิตสามารถประกอบสแต็กแบบหลายชิปที่สมบูรณ์ได้
พันธะอิเล็กทริกห่อหุ้มทองแดงป้องกันการเกิดออกซิเดชั่นและอนุญาตให้อุปกรณ์ยึดเกาะใช้บรรยากาศโดยรอบในการสร้างพันธะถาวรผู้ผลิตหันไปใช้การหลอมที่ใช้ประโยชน์จากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่ใหญ่กว่าของทองแดงทองแดงถูกควบคุมโดยอิเล็กทริกจึงถูกบังคับให้ขยายตัวที่พื้นผิวอิสระเพื่อเชื่อมช่องว่างระหว่างแม่พิมพ์ทั้งสองการแพร่กระจายของทองแดงจะก่อให้เกิดพันธะโลหะถาวรในสแต็กที่ซับซ้อนขั้นตอนการหลอมเพียงครั้งเดียวสามารถเชื่อมชิปส่วนประกอบทั้งหมดพร้อมกันได้อุณหภูมิในการอบอ่อนที่ค่อนข้างต่ำจะเพียงพอในกรณีที่ไม่มีออกไซด์ดั้งเดิมหรือสิ่งกีดขวางอื่น ๆ
ความสูงของแผ่นพันธะถูกกำหนดโดย CMP ซึ่งเป็นกระบวนการที่สมบูรณ์และมีการควบคุมอย่างดีด้วยเหตุผลทั้งหมดนี้จึงมีการใช้พันธะไฮบริดแบบเวเฟอร์กับเวเฟอร์ในแอปพลิเคชันเช่นเซ็นเซอร์ภาพเป็นเวลาหลายปีแอพพลิเคชั่นการเชื่อมระหว่างเวเฟอร์กับเวเฟอร์ต้องการการจัดตำแหน่งแผ่นระหว่างแผ่นเวเฟอร์และขึ้นอยู่กับอัตราผลตอบแทนของอุปกรณ์ที่สูงเพื่อลดการสูญเสียให้น้อยที่สุดแม่พิมพ์ที่มีข้อบกพร่องบนแผ่นเวเฟอร์ทั้งสองไม่น่าจะเรียงกันได้ดังนั้นข้อบกพร่องบนแผ่นเวเฟอร์หนึ่งชิ้นอาจทำให้ชิปที่ดีที่เกี่ยวข้องบนแผ่นเวเฟอร์ที่จับคู่สูญหาย
การเชื่อมแบบไฮบริดแบบ Die-to-wafer และ die-to-interposer สามารถเปิดพื้นที่แอปพลิเคชันที่ใหญ่ขึ้นทำให้สามารถใช้ระบบที่แตกต่างกันที่ซับซ้อนได้ในแพ็คเกจเดียวอย่างไรก็ตามแอปพลิเคชันเหล่านี้ยังต้องการโฟลว์กระบวนการที่ซับซ้อนมากขึ้นในขณะที่กระบวนการแบบเวเฟอร์ไปยังเวเฟอร์และแบบตายต่อเวเฟอร์ (หรือตัวประสาน) มีความต้องการที่คล้ายคลึงกันในขั้นตอน CMP และบนพันธะเองการจัดการชิปที่แยกออกจากโพสต์ CMP นั้นมีความท้าทายมากกว่าสายการผลิตจะต้องสามารถควบคุมอนุภาคที่ผลิตโดยขั้นตอนการร้องเพลงที่ยุ่งเหยิงโดยเนื้อแท้หลีกเลี่ยงช่องว่างและข้อบกพร่องอื่น ๆ ในการยึดเกาะจาก Katherine Derbyshire
