ฮอเร็กซ์ กรุ๊ป
March 11, 2021
โมเมนตัมกำลังสร้างขึ้นสำหรับการเชื่อมต่อทองแดงแบบไฮบริดซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่สามารถปูทางไปสู่แพ็คเกจ 2.5D และ 3D รุ่นต่อไป
โรงหล่อผู้จำหน่ายอุปกรณ์องค์กร R&D และอื่น ๆ กำลังพัฒนาพันธะทองแดงแบบไฮบริดซึ่งเป็นกระบวนการที่สแต็กและพันธะตายโดยใช้การเชื่อมต่อระหว่างทองแดงกับทองแดงในแพ็คเกจขั้นสูงยังคงอยู่ในการวิจัยและพัฒนาการเชื่อมแบบไฮบริดสำหรับบรรจุภัณฑ์ให้แบนด์วิดท์มากกว่าโดยใช้พลังงานต่ำกว่าวิธีการซ้อนและการเชื่อมที่มีอยู่แต่พันธะแบบไฮบริดก็ทำได้ยากกว่าเช่นกันนอกจากนี้เทคโนโลยีที่มีอยู่อาจขยายไปไกลกว่าที่คาดไว้ผลักดันจุดแทรกสำหรับพันธะไฮบริดออกไป
พันธะลูกผสมทองแดงไม่ใช่เรื่องใหม่ตั้งแต่ปี 2559 ผู้จำหน่ายเซ็นเซอร์ภาพ CMOS เริ่มจัดส่งผลิตภัณฑ์โดยใช้เทคโนโลยีการเชื่อมแบบผสมผสานระหว่างเวเฟอร์กับเวเฟอร์สำหรับสิ่งนี้ผู้ขายจะประมวลผลเวเฟอร์แบบลอจิกจากนั้นผู้ขายจะประมวลผลเวเฟอร์แยกต่างหากด้วยพิกเซลเวเฟอร์ทั้งสองเชื่อมต่อกันโดยใช้การเชื่อมต่อระหว่างทองแดงกับทองแดงแบบละเอียดชิปแต่ละตัวจะถูกหั่นสี่เหลี่ยมลูกเต๋าบนแผ่นเวเฟอร์ซึ่งสร้างเซ็นเซอร์ภาพ CMOS
การเชื่อมแบบไฮบริดทำงานได้เกือบเหมือนกันสำหรับบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง แต่มีความซับซ้อนกว่าผู้ขายกำลังดำเนินการกับรูปแบบที่แตกต่างกันที่เรียกว่าการเชื่อมแบบตายต่อเวเฟอร์โดยที่คุณวางซ้อนกันและพันธะตายบนตัวคั่นหรือแม่พิมพ์อื่น ๆ“ เรากำลังเห็นแรงผลักดันในอุตสาหกรรมที่แข็งแกร่งในการพัฒนาพันธะไฮบริดแบบต่อเวเฟอร์” Stephen Hiebert ผู้อำนวยการอาวุโสฝ่ายการตลาดของ KLA กล่าว“ ประโยชน์ที่สำคัญของการเชื่อมแบบไฮบริดแบบ Die-to-wafer คือการช่วยให้สามารถผสานรวมชิปขนาดต่างๆที่แตกต่างกันได้”
เวอร์ชันนี้ยกระดับบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงไปอีกขั้นในตัวอย่างหนึ่งของบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงในปัจจุบันผู้ขายสามารถรวมสแต็ก DRAM แบบหลายดายไว้ในแพ็คเกจและเชื่อมต่อดายโดยใช้โครงร่างการเชื่อมต่อระหว่างกันที่มีอยู่ด้วยการเชื่อมแบบไฮบริดดาย DRAM จะเชื่อมต่อโดยใช้การเชื่อมต่อระหว่างทองแดงกับทองแดงแบบละเอียดทำให้มีแบนด์วิดท์มากขึ้นวิธีนี้ยังสามารถใช้สำหรับตรรกะขั้นสูงเกี่ยวกับการซ้อนหน่วยความจำและชุดค่าผสมอื่น ๆ
“ มันมีศักยภาพสำหรับแอพพลิเคชั่นต่างๆมากมาย” Guilian Gao วิศวกรที่มีชื่อเสียงของ Xperi กล่าวในการนำเสนอล่าสุด“ แอปพลิเคชันตัวอย่าง ได้แก่ 3D DRAM การรวมที่แตกต่างกันและการแยกชิป”
เป็นกระบวนการที่ท้าทายอย่างไรก็ตามการเชื่อมแบบไฮบริดแบบ Die-to-wafer ต้องใช้แม่พิมพ์ที่เก่าแก่อุปกรณ์ขั้นสูงและรูปแบบการรวมที่สมบูรณ์แบบแต่ถ้าผู้ขายสามารถทำให้มันใช้งานได้เทคโนโลยีอาจเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับการออกแบบชิปขั้นสูง
ตามเนื้อผ้าเพื่อความก้าวหน้าในการออกแบบอุตสาหกรรมได้พัฒนาระบบบนชิป (SoC) ซึ่งคุณจะลดขนาดฟังก์ชันที่แตกต่างกันในแต่ละโหนดและบรรจุลงในแม่พิมพ์เสาหินแต่แนวทางนี้มีความซับซ้อนและมีราคาแพงมากขึ้นในแต่ละโหนดในขณะที่บางคนจะยังคงเดินตามเส้นทางนี้ แต่หลายคนกำลังมองหาทางเลือกอื่นวิธีหนึ่งที่จะได้รับประโยชน์จากการปรับขนาดคือการประกอบชิปที่ซับซ้อนในแพ็คเกจขั้นสูงแบบดั้งเดิมบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงที่ใช้พันธะไฮบริดเป็นอีกทางเลือกหนึ่ง
GlobalFoundries, Intel, Samsung, TSMC และ UMC ล้วนทำงานเกี่ยวกับการเชื่อมทองแดงแบบไฮบริดสำหรับบรรจุภัณฑ์Imec และ Leti ก็เช่นกันนอกจากนี้ Xperi กำลังพัฒนาเวอร์ชันของพันธะไฮบริดXperi อนุญาตให้ใช้เทคโนโลยีแก่ผู้อื่น
ตัวเลือกบรรจุภัณฑ์มากมาย
มีแพ็คเกจ IC หลายประเภทในตลาดวิธีหนึ่งในการแบ่งส่วนตลาดบรรจุภัณฑ์คือตามประเภทการเชื่อมต่อซึ่งรวมถึงลวดบอนด์ฟลิปชิปบรรจุภัณฑ์ระดับเวเฟอร์ (WLP) และผ่านซิลิคอนวีอัส (TSV)การเชื่อมต่อระหว่างกันใช้เพื่อเชื่อมต่อหนึ่งดายกับอีกอันหนึ่งในแพ็คเกจTSV มีการนับ I / O สูงสุดตามด้วย WLP ฟลิปชิปและไวร์บอนด์พันธะไฮบริดซึ่งเป็นผู้มาใหม่ที่เชื่อมต่อระหว่างกันมีความหนาแน่นสูงกว่า TSV
บางส่วน 75% ถึง 80% ของแพคเกจในปัจจุบันขึ้นอยู่กับการเชื่อมลวดตามข้อมูลของ TechSearchตัวยึดลวดจะเย็บชิปตัวหนึ่งไปยังชิปอื่นหรือวัสดุพิมพ์โดยใช้สายไฟเส้นเล็ก ๆการเชื่อมลวดใช้สำหรับบรรจุภัณฑ์สินค้าและการเรียงซ้อนหน่วยความจำ
ในฟลิปชิปจะมีทะเลของการบัดกรีที่มีขนาดใหญ่กว่าหรือการกระแทกทองแดงและเสาเล็ก ๆ เกิดขึ้นที่ด้านบนของชิปโดยใช้ขั้นตอนกระบวนการต่างๆจากนั้นพลิกอุปกรณ์และติดตั้งบนดายหรือบอร์ดแยกต่างหากกระแทกลงบนแผ่นทองแดงทำให้เกิดการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าดายถูกผูกมัดโดยใช้ระบบที่เรียกว่าเวเฟอร์บอนด์
ในขณะเดียวกัน WLP จะบรรจุดายขณะอยู่บนเวเฟอร์Fan-out เป็น WLP ประเภทหนึ่ง“ (บรรจุภัณฑ์ระดับเวเฟอร์) ช่วยให้เราสามารถสร้างการเชื่อมต่อแบบสองมิติที่มีขนาดเล็กลงซึ่งกระจายเอาต์พุตของแม่พิมพ์ซิลิกอนไปยังพื้นที่ที่กว้างขึ้นทำให้มีความหนาแน่น I / O สูงขึ้นแบนด์วิธที่สูงขึ้นและประสิทธิภาพที่สูงขึ้นสำหรับอุปกรณ์สมัยใหม่” Cliff McCold กล่าว นักวิทยาศาสตร์การวิจัยของ Veeco ในการนำเสนอที่ ECTC
ในขณะเดียวกัน TSVs ถูกใช้ในแพ็คเกจ 2.5D / 3D ระดับไฮเอนด์ใน 2.5D แม่พิมพ์จะเรียงซ้อนกันบนตัวประสานซึ่งประกอบด้วย TSVInterposer ทำหน้าที่เป็นสะพานเชื่อมระหว่างชิปและบอร์ดซึ่งให้ I / Os และแบนด์วิดท์มากขึ้น
แพ็คเกจ 2.5D และ 3D มีหลายเวอร์ชั่นหน่วยความจำแบนด์วิธสูง (HBM) ซึ่งสแต็ก DRAM ตายซึ่งกันและกันเป็นแพ็คเกจ 3 มิติประเภทหนึ่งตรรกะการซ้อนบนลอจิกหรือลอจิกบนหน่วยความจำกำลังเกิดขึ้น“ ตรรกะในการซ้อนลอจิกยังไม่แพร่หลายลอจิกบนหน่วยความจำเป็นสิ่งที่กำลังมาถึงขั้นตอนนี้” รามูเนะนากิเซ็ตตีผู้อำนวยการฝ่ายกระบวนการและการรวมผลิตภัณฑ์ของ Intel กล่าว
ในบรรจุภัณฑ์คำศัพท์ล่าสุดคือชิปเล็ตChiplets ไม่ใช่ประเภทบรรจุภัณฑ์ต่อชิ้นด้วยชิปเล็ตผู้ผลิตชิปอาจมีเมนูโมดูลาร์ดายหรือชิปเล็ตในไลบรารีลูกค้าสามารถผสมและจับคู่ชิปเล็ตและเชื่อมต่อโดยใช้โครงร่างการเชื่อมต่อระหว่างกันในแพ็คเกจ
Chiplets อาจอยู่ในประเภทแพ็คเกจที่มีอยู่หรือสถาปัตยกรรมใหม่“ มันเป็นวิธีการทางสถาปัตยกรรม” Walter Ng รองประธานฝ่ายพัฒนาธุรกิจของ UMC กล่าว“ เป็นการเพิ่มประสิทธิภาพโซลูชันซิลิกอนสำหรับงานที่ต้องการทั้งหมดนี้มีข้อพิจารณาด้านประสิทธิภาพไม่ว่าจะเป็นความเร็วความร้อนหรือกำลังไฟนอกจากนี้ยังมีปัจจัยด้านต้นทุนขึ้นอยู่กับว่าคุณใช้แนวทางใด”
สำหรับแพ็คเกจ 2.5D และ 3D ที่ทันสมัยที่สุดในปัจจุบันผู้ขายจะใช้โครงร่างการเชื่อมต่อระหว่างกันและตัวเชื่อมเวเฟอร์ที่มีอยู่ในบรรจุภัณฑ์เหล่านี้แม่พิมพ์จะเรียงซ้อนกันและเชื่อมต่อกันโดยใช้ไมโครบัมป์ทองแดงและเสาขึ้นอยู่กับวัสดุบัดกรีการกระแทกและเสาให้การเชื่อมต่อทางไฟฟ้าขนาดเล็กและรวดเร็วระหว่างอุปกรณ์ต่างๆ
ไมโครบัมป์ / เสาที่ทันสมัยที่สุดคือโครงสร้างขนาดเล็กที่มีระยะห่าง40μmถึง36μmระยะห่างหมายถึงช่องว่างที่กำหนดระยะพิทช์40μmเกี่ยวข้องกับเสาทองแดงขนาด25μmโดยมีระยะห่าง15μm
สำหรับข้อกำหนดระยะพิทช์ละเอียดอุตสาหกรรมจะใช้การบีบอัดด้วยความร้อน (TCB)ผู้ผูกมัด TCB จะหยิบดายและจัดแนวการกระแทกกับการกระแทกจากดายอื่นมันผูกมัดการกระแทกโดยใช้แรงและความร้อน
TCB เป็นกระบวนการที่ช้ายิ่งไปกว่านั้นการกระแทกทองแดง / เสากำลังเข้าใกล้ขีด จำกัด ทางกายภาพบางคนเชื่อว่าขีด จำกัด อยู่ที่ประมาณ20μmสนาม
บางคนพยายามที่จะขยายสนามชนImec กำลังพัฒนาเทคโนโลยีที่ทำให้เกิดการกระแทก10μmโดยใช้ TCB ในปัจจุบัน7μmและ5μmอยู่ใน R&D
สนามกระแทก40μmในปัจจุบันมีวัสดุบัดกรีเพียงพอที่จะชดเชยการเปลี่ยนแปลงในการไหล“ เมื่อปรับขนาดระยะพิทช์10μmและต่ำกว่านี้จะไม่เป็นเช่นนั้นอีกต่อไปในไมโครบัมป์ระดับละเอียดผลผลิตทางไฟฟ้าและการก่อตัวของรอยต่อที่ดีนั้นขึ้นอยู่กับความแม่นยำการจัดแนวและความเอียงของเครื่องมือ TCB และปริมาณการเสียรูปของโลหะบัดกรี "Jaber Derakhshandeh นักวิทยาศาสตร์อาวุโสของ Imec กล่าวในกระดาษที่ การประชุม ECTC ล่าสุด
เพื่อขยาย microbump Imec ได้พัฒนากระบวนการตัวเว้นระยะโลหะเหมือนเดิมไมโครบัมป์ยังคงเกิดขึ้นบนแม่พิมพ์ในกระบวนการของ Imec ไมโครบัมพ์โลหะจำลองจะถูกสร้างขึ้นบนแม่พิมพ์ด้วยการกระแทกของ Dummy มีลักษณะคล้ายกับคานเล็ก ๆ ที่ยึดโครงสร้างไว้
“ ไมโครบัมพ์ตัวเว้นวรรคโลหะจำลองถูกนำมาใช้กับการซ้อนไดย์ - ทู - เวเฟอร์แบบ 3 มิติเพื่อลดข้อผิดพลาดในการเอียงของเครื่องมือ TCB และเพื่อควบคุมการเสียรูปของการบัดกรีเพื่อให้ความต้านทานไฟฟ้าและคุณภาพการก่อตัวของรอยต่อเหมือนกันสำหรับตำแหน่งที่แตกต่างกันของพันธะ เสียชีวิต” Derakhshandeh กล่าว
พันธะไฮบริดคืออะไร?
ในบางจุดไมโครบัมพ์ / เสาและ TCB อาจหมดไอน้ำนั่นคือจุดที่พอดีกับพันธะทองแดงไฮบริดคาดว่าจะถูกแทรกหลังจากที่เทคโนโลยีไมโครบัมพ์ชนกำแพงหรือก่อนหน้านั้น
Microbumps จะไม่หายไปในเร็ว ๆ นี้เทคโนโลยีทั้งสองอย่าง - ไมโครบัมป์และพันธะไฮบริดจะเข้ามามีส่วนในตลาดขึ้นอยู่กับการใช้งาน
แม้ว่าพันธะไฮบริดจะดึงดูดไอน้ำTSMC ซึ่งเป็นผู้แสดงเสียงส่วนใหญ่กำลังทำงานกับเทคโนโลยีที่เรียกว่า System on Integrated Chip (SoIC)ด้วยการใช้พันธะไฮบริดเทคโนโลยี SoIC ของ TSMC ช่วยให้สนามเชื่อมต่อต่ำกว่า10μmSoIC ได้รับการกล่าวขานว่ามีระยะห่างของแผ่นกันกระแทก 0.25 เท่าเหนือรูปแบบที่มีอยู่เวอร์ชันความหนาแน่นสูงช่วยให้สามารถสื่อสารด้วยชิปต่อชิปได้มากกว่า 10 เท่าโดยมีความหนาแน่นแบนด์วิดท์สูงถึงเกือบ 20,000 เท่าและประสิทธิภาพการใช้พลังงาน 20 เท่า
กำหนดไว้สำหรับการผลิตในปี 2564 SoIC สามารถเปิดใช้งานลูกบาศก์หน่วยความจำ HBM และ SRAM แบบละเอียดรวมถึงสถาปัตยกรรมชิปแบบ 3 มิติเมื่อเทียบกับ HBM ในปัจจุบัน“ คิวบ์หน่วยความจำ DRAM แบบรวม SoIC สามารถให้ความหนาแน่นของหน่วยความจำแบนด์วิธและประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่สูงขึ้น” MF Chen นักวิจัยจาก TSMC กล่าวในเอกสารล่าสุด
TSMC กำลังพัฒนาพันธะไฮบริดแบบชิปกับเวเฟอร์การเชื่อมเวเฟอร์นั้นไม่ใช่เรื่องใหม่และถูกนำมาใช้ใน MEMS และแอพพลิเคชั่นอื่น ๆ มาหลายปีแล้วพันธะเวเฟอร์มีหลายประเภท“ การประดิษฐ์และบรรจุภัณฑ์ของระบบไมโครอิเล็กทรอนิคส์และไมโครอิเล็กทรอนิกส์นั้นอาศัยการเชื่อมกันของพื้นผิวหรือเวเฟอร์สองชนิด” เสี่ยวหลิวนักเคมีวิจัยอาวุโสของ Brewer Science กล่าวในการนำเสนอ“ ในกระบวนการผลิตระบบไมโครอิเล็กทรอนิคส์ (MEMS) เวเฟอร์ของอุปกรณ์จะถูกเชื่อมเข้ากับเวเฟอร์อื่นเพื่อป้องกันโครงสร้าง MEMS ที่ละเอียดอ่อนเทคโนโลยีการเชื่อมโดยตรงเช่นพันธะฟิวชั่นและพันธะแอโนดิกหรือเทคโนโลยีการเชื่อมทางอ้อมเช่นโลหะยูเทคติกการเชื่อมด้วยความร้อนและการยึดด้วยกาวเป็นวิธีการที่ใช้กันทั่วไปเพื่อตอบสนองอุตสาหกรรมไมโครอิเล็กทรอนิกส์การใช้กาวยึดติดเป็นตัวกลางระหว่างวัสดุพิมพ์สองชิ้นช่วยให้การประมวลผลมีความยืดหยุ่นและมีข้อดีหลายประการ”
การเชื่อมทองแดงแบบไฮบริดปรากฏขึ้นครั้งแรกในปี 2559 เมื่อ Sony ใช้เทคโนโลยีนี้สำหรับเซ็นเซอร์ภาพ CMOSSony ได้รับอนุญาตให้ใช้เทคโนโลยีจาก Ziptronix ซึ่งปัจจุบันเป็นส่วนหนึ่งของ Xperi
สำหรับแอปพลิเคชันนี้เทคโนโลยีของ Xperi เรียกว่า Direct Bond Interconnect (DBI)DBI ดำเนินการใน fab แบบดั้งเดิมและเกี่ยวข้องกับกระบวนการเชื่อมระหว่างเวเฟอร์กับเวเฟอร์ในการไหลเวเฟอร์จะถูกประมวลผลจากนั้นแผ่นโลหะจะปิดภาคเรียนบนพื้นผิวพื้นผิวเป็นระนาบแล้วเปิดใช้งาน
เวเฟอร์แยกต่างหากผ่านกระบวนการที่คล้ายคลึงกันเวเฟอร์ถูกผูกมัดโดยใช้กระบวนการสองขั้นตอนมันเป็นพันธะอิเล็กทริกกับอิเล็กทริกตามด้วยการเชื่อมต่อระหว่างโลหะกับโลหะ
“ โดยรวมแล้วเวเฟอร์ไปยังเวเฟอร์เป็นวิธีการทางเลือกสำหรับการผลิตอุปกรณ์โดยที่เวเฟอร์ยังคงอยู่ในสภาพแวดล้อมแบบฟรอนต์เอนด์ระหว่างขั้นตอนทั้งหมด” โทมัสอูห์มันน์ผู้อำนวยการฝ่ายพัฒนาธุรกิจของ EV Group กล่าว“ ในกรณีนี้การเตรียมเวเฟอร์สำหรับพันธะไฮบริดมีความท้าทายหลายประการในกฎการออกแบบส่วนต่อประสานความสะอาดการเลือกใช้วัสดุพร้อมกับการเปิดใช้งานและการจัดตำแหน่งอนุภาคใด ๆ บนพื้นผิวออกไซด์ทำให้โมฆะมีขนาดใหญ่กว่าขนาดอนุภาค 100 ถึง 1,000 เท่า”
ถึงกระนั้นเทคโนโลยีได้รับการพิสูจน์แล้วสำหรับเซ็นเซอร์ภาพตอนนี้อุปกรณ์อื่น ๆ กำลังอยู่ในระหว่างการทำงาน“ อุปกรณ์อื่น ๆ มีการวางแผนที่จะปฏิบัติตามเช่น SRAM แบบเรียงซ้อนกันไปจนถึงดายโปรเซสเซอร์” Uhrmann กล่าว
พันธะไฮบริดสำหรับบรรจุภัณฑ์
สำหรับบรรจุภัณฑ์ชิปขั้นสูงอุตสาหกรรมนี้ยังดำเนินการเกี่ยวกับการเชื่อมต่อแบบผสมทองแดงแบบตายต่อเวเฟอร์และแบบตายเพื่อตายสิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการซ้อนดายบนเวเฟอร์ดายบนตัวกั้นหรือดายบนดาย
สิ่งนี้ยากกว่าการเชื่อมแบบเวเฟอร์กับเวเฟอร์“ สำหรับการเชื่อมต่อแบบไฮบริดแบบ Die-to-wafer โครงสร้างพื้นฐานในการจัดการแม่พิมพ์โดยไม่ต้องเติมอนุภาครวมถึงความสามารถในการยึดแม่พิมพ์กลายเป็นความท้าทายที่สำคัญ” Uhrmann กล่าว“ แม้ว่าการออกแบบอินเทอร์เฟซและการประมวลผลล่วงหน้าสำหรับระดับแม่พิมพ์สามารถคัดลอกและ / หรือดัดแปลงจากระดับเวเฟอร์ได้ แต่ก็มีความท้าทายมากมายที่เกิดขึ้นในการจัดการแม่พิมพ์โดยปกติแล้วกระบวนการส่วนหลังเช่นการหั่นการจัดการแม่พิมพ์และการเคลื่อนย้ายแม่พิมพ์บนเฟรมฟิล์มจะต้องได้รับการปรับให้เข้ากับระดับการทำความสะอาดส่วนหน้าเพื่อให้ได้ผลตอบแทนการยึดติดสูงในระดับแม่พิมพ์
“ Wafer-to-wafer ใช้งานได้” Uhrmann กล่าว“ เมื่อฉันดูงานวิศวกรรมและดูว่าการพัฒนาเครื่องมือกำลังดำเนินไปถึงไหน (สำหรับชิปต่อเวเฟอร์) มันเป็นงานรวมที่ซับซ้อนมากคนอย่าง TSMC กำลังผลักดันอุตสาหกรรมดังนั้นเราจะเห็นมันในการผลิตแถลงการณ์ที่ปลอดภัยกว่าจะอยู่ที่ไหนสักแห่งในปี 2565 หรือ 2566 อาจจะเร็วกว่านั้นเล็กน้อย”
การเชื่อมแบบไฮบริดสำหรับบรรจุภัณฑ์นั้นแตกต่างกันในรูปแบบอื่น ๆตามเนื้อผ้าบรรจุภัณฑ์ IC จะดำเนินการที่ OSAT หรือบ้านบรรจุภัณฑ์ในการเชื่อมด้วยทองแดงแบบไฮบริดกระบวนการนี้จะดำเนินการภายในคลีนรูมในเวเฟอร์แฟบไม่ใช่ OSAT
ซึ่งแตกต่างจากบรรจุภัณฑ์แบบดั้งเดิมซึ่งเกี่ยวข้องกับข้อบกพร่องขนาดμmพันธะแบบไฮบริดมีความไวต่อข้อบกพร่องขนาดเล็กนาโนเมตรจำเป็นต้องมีห้องคลีนรูมระดับ fab เพื่อป้องกันข้อบกพร่องเล็ก ๆ น้อย ๆ จากการขัดขวางกระบวนการ
การควบคุมข้อบกพร่องมีความสำคัญอย่างยิ่งที่นี่“ เนื่องจากกระบวนการบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงมีความซับซ้อนมากขึ้นและคุณลักษณะที่เกี่ยวข้องมีขนาดเล็กลงมากขึ้นความจำเป็นในการควบคุมกระบวนการที่มีประสิทธิภาพจึงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องต้นทุนของความล้มเหลวสูงเนื่องจากกระบวนการเหล่านี้ใช้แม่พิมพ์ที่มีราคาแพงซึ่งเป็นที่รู้จักกันดี” Tim Skunes รองประธานฝ่ายวิจัยและพัฒนาของ CyberOptics กล่าว“ ระหว่างส่วนประกอบมีการกระแทกเพื่อเชื่อมต่อไฟฟ้าในแนวตั้งการควบคุมความสูงของการกระแทกและความหนาของท่อร่วมมีความสำคัญต่อการสร้างความมั่นใจในการเชื่อมต่อที่เชื่อถือได้ระหว่างส่วนประกอบที่เรียงซ้อนกัน "
อันที่จริงการตายที่ดีที่รู้จักกันดี (KGD) เป็นสิ่งสำคัญKGD คือชิ้นส่วนที่ยังไม่ได้บรรจุหีบห่อหรือแม่พิมพ์เปลือยที่ตรงตามข้อกำหนดที่กำหนดหากไม่มี KGD แพคเกจอาจได้รับผลตอบแทนต่ำหรือล้มเหลว
KGD มีความสำคัญสำหรับบ้านบรรจุภัณฑ์“ เราได้รับแม่พิมพ์เปลือยและบรรจุลงในบรรจุภัณฑ์เพื่อส่งมอบผลิตภัณฑ์ที่มีฟังก์ชันการทำงานผู้คนต่างขอให้เราให้ผลตอบแทนที่สูงมาก” Lihong Cao ผู้อำนวยการฝ่ายวิศวกรรมและการตลาดด้านเทคนิคของ ASE กล่าวในงานเมื่อเร็ว ๆ นี้“ ดังนั้นในเรื่องของแม่พิมพ์ที่เป็นที่รู้จักเราจึงต้องการให้มีการทดสอบการทำงานที่ดีอย่างสมบูรณ์เราต้องการให้เป็น 100%”
อย่างไรก็ตามการไหลของพันธะไฮบริดแบบ Die-to-wafer นั้นคล้ายคลึงกับกระบวนการ wafer-to-waferความแตกต่างที่สำคัญคือชิปจะถูกหั่นสี่เหลี่ยมลูกเต๋าและวางซ้อนกันบนตัวคั่นหรือแม่พิมพ์อื่น ๆ โดยใช้ตัวประสานชิปพลิกความเร็วสูง
กระบวนการทั้งหมดเริ่มต้นใน fab ซึ่งชิปจะถูกประมวลผลบนเวเฟอร์โดยใช้อุปกรณ์ต่างๆส่วนนี้ของ fab เรียกว่า front-end-of-the-line (FEOL)ในการเชื่อมแบบไฮบริดเวเฟอร์สองตัวขึ้นไปจะถูกประมวลผลระหว่างการไหล
จากนั้นเวเฟอร์จะถูกส่งไปยังส่วนที่แยกจากกันของ fab ที่เรียกว่า backend-of-the-line (BEOL)ด้วยการใช้อุปกรณ์ที่แตกต่างกันเวเฟอร์ผ่านกระบวนการดามัสกัสเพียงขั้นตอนเดียวใน BEOL
กระบวนการดามัสกัสเดี่ยวเป็นเทคโนโลยีที่เติบโตเต็มที่โดยทั่วไปวัสดุออกไซด์จะถูกสะสมไว้บนเวเฟอร์ช่องว่างเล็ก ๆ มีลวดลายและฝังอยู่ในวัสดุออกไซด์ช่องว่างนั้นเต็มไปด้วยทองแดงโดยใช้กระบวนการสะสม
ในทางกลับกันสิ่งนี้จะสร้างการเชื่อมต่อระหว่างทองแดงหรือแผ่นอิเล็กโทรดบนพื้นผิวของเวเฟอร์แผ่นทองแดงมีขนาดค่อนข้างใหญ่โดยวัดได้ในระดับμmกระบวนการนี้ค่อนข้างคล้ายกับการผลิตชิปขั้นสูงในปัจจุบันใน fabsสำหรับชิปขั้นสูงความแตกต่างที่สำคัญคือการเชื่อมต่อระหว่างทองแดงจะถูกวัดที่ระดับนาโน
นั่นเป็นเพียงจุดเริ่มต้นของกระบวนการเท่านั้นนี่คือจุดเริ่มต้นของกระบวนการเชื่อมต่อทองแดงแบบ Die-to-wafer แบบใหม่ของ Xperiคนอื่นใช้โฟลว์ที่คล้ายกันหรือแตกต่างกันเล็กน้อย
ขั้นตอนแรกในกระบวนการ Die-to-wafer ของ Xperi คือการขัดพื้นผิวของเวเฟอร์โดยใช้การขัดด้วยกลไกทางเคมี (CMP)CMP ดำเนินการในระบบซึ่งขัดพื้นผิวโดยใช้แรงทางเคมีและทางกล
ในระหว่างกระบวนการแผ่นทองแดงจะปิดภาคเรียนเล็กน้อยบนพื้นผิวของเวเฟอร์เป้าหมายคือการได้รับการพักผ่อนที่ตื้นและสม่ำเสมอทำให้ได้ผลตอบแทนที่ดี
CMP เป็นกระบวนการที่ยากหากพื้นผิวถูกขัดมากเกินไปช่องแผ่นทองแดงจะใหญ่เกินไปแผ่นอิเล็กโทรดบางแผ่นอาจไม่เข้ากันระหว่างกระบวนการเชื่อมหากมีคราบทองแดงเหลืออยู่อาจทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรได้
มีวิธีแก้ครับXperi ได้พัฒนาความสามารถ CMP 200 มม. และ 300 มม.“ เทคโนโลยี CMP มีความก้าวหน้าอย่างมากในทศวรรษที่ผ่านมาด้วยนวัตกรรมเกี่ยวกับการออกแบบอุปกรณ์ตัวเลือกสารละลายและจอภาพในกระบวนการเพื่อให้สามารถทำซ้ำได้และมีประสิทธิภาพพร้อมการควบคุมที่แม่นยำ” ลอราเมียร์คาริมิรองประธานฝ่ายวิศวกรรมของ Xperi กล่าว
จากนั้นเวเฟอร์จะเข้าสู่ขั้นตอนมาตรวิทยาซึ่งจะวัดและกำหนดลักษณะภูมิประเทศของพื้นผิวกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM) และเครื่องมืออื่น ๆ ใช้เพื่อกำหนดลักษณะพื้นผิวAFM ใช้หัววัดขนาดเล็กเพื่อเปิดใช้งานการวัดในโครงสร้างนอกจากนี้ยังใช้ระบบตรวจสอบเวเฟอร์
นี่เป็นส่วนสำคัญของกระบวนการนี้“ สำหรับการยึดติดแบบไฮบริดต้องมีการวัดโปรไฟล์ของพื้นผิวเวเฟอร์หลังการสร้างแผ่นดามัสกัสด้วยความแม่นยำระดับย่อยนาโนเมตรเพื่อให้แน่ใจว่าแผ่นทองแดงมีคุณสมบัติตรงตามความต้องการของช่องว่างหรือส่วนที่ยื่นออกมา” Hiebert จาก KLA กล่าว“ ความท้าทายในกระบวนการที่สำคัญของการเชื่อมทองแดงแบบไฮบริด ได้แก่ การควบคุมข้อบกพร่องของพื้นผิวเพื่อป้องกันช่องว่างการควบคุมพื้นผิวระดับนาโนเมตรเพื่อรองรับการสัมผัสแผ่นพันธะไฮบริดที่แข็งแกร่งและการควบคุมการจัดตำแหน่งของแผ่นทองแดงบนแม่พิมพ์ด้านบนและด้านล่างเมื่อระยะห่างของพันธะไฮบริดมีขนาดเล็กลงตัวอย่างเช่นน้อยกว่า2μmในการไหลของเวเฟอร์ไปยังเวเฟอร์หรือน้อยกว่า10μmในการไหลแบบตายต่อเวเฟอร์ข้อบกพร่องของพื้นผิวพื้นผิวและความท้าทายในการจัดตำแหน่งแผ่นพันธะจึงมีความสำคัญมากยิ่งขึ้น”
นั่นอาจไม่เพียงพอในบางช่วงของขั้นตอนนี้บางคนอาจพิจารณาขั้นตอนการตรวจสอบ“ การตรวจสอบโดยตรงบนแผ่นทองแดงหรือการกระแทกของทองแดงเป็นเรื่องปกติที่ถูกมองว่าเป็นไปไม่ได้” Amy Leong รองประธานอาวุโสของ FormFactor กล่าว“ ข้อกังวลหลักคือทำอย่างไรให้มีการสัมผัสทางไฟฟ้าที่มั่นคงระหว่างปลายหัววัดกับการกระแทก”
สำหรับสิ่งนี้ FormFactor ได้พัฒนาการออกแบบปลายหัววัดที่ใช้ MEMS ซึ่งเรียกว่า Skateเมื่อรวมกับแรงสัมผัสที่ต่ำปลายจะค่อยๆทะลุชั้นออกซิเดชั่นเพื่อให้สัมผัสทางไฟฟ้ากับการกระแทก
ขั้นตอนเพิ่มเติม
ตามขั้นตอนมาตรวิทยาเวเฟอร์จะผ่านกระบวนการทำความสะอาดและอบอ่อนขั้นตอนการหลอมจะทำในกระบวนการแบทช์โดยมีแผ่นเวเฟอร์ซ้อนกันโดยมีดายอยู่ด้านบน
จากนั้นชิปจะถูกหั่นเป็นสี่เหลี่ยมลูกเต๋าบนเวเฟอร์โดยใช้ใบมีดหรือระบบตัดแสงเลเซอร์ในทางกลับกันสิ่งนี้จะสร้างแม่พิมพ์แต่ละชิ้นสำหรับบรรจุภัณฑ์กระบวนการร้องเพลงตายเป็นสิ่งที่ท้าทายสามารถสร้างอนุภาคสารปนเปื้อนและข้อบกพร่องที่ขอบ
Hiebert จาก KLA กล่าวว่าสำหรับการเชื่อมแบบไฮบริดเวเฟอร์การแยกชิ้นส่วนและการจัดการแม่พิมพ์จะเพิ่มแหล่งที่มาเพิ่มเติมสำหรับการสร้างอนุภาคซึ่งจะต้องได้รับการจัดการ” Hiebert จาก KLA กล่าว“ การแยกพลาสม่าอยู่ระหว่างการสำรวจโครงร่างพันธะไฮบริดได - ทู - เวเฟอร์เนื่องจากมีระดับการปนเปื้อนของอนุภาคที่ต่ำกว่ามาก”
ขั้นตอนการผูกมัดคือขั้นต่อไปในการใช้งานตัวยึดแบบฟลิปชิปจะเลือกแม่พิมพ์โดยตรงจากโครงหั่นจากนั้นระบบจะวางแม่พิมพ์ลงบนเวเฟอร์โฮสต์หรือดายอื่นโครงสร้างทั้งสองเชื่อมติดกันทันทีที่อุณหภูมิห้องในการเชื่อมแบบไฮบริดทองแดงชิปหรือเวเฟอร์จะถูกผูกมัดโดยใช้พันธะอิเล็กทริกกับอิเล็กทริกตามด้วยการเชื่อมต่อระหว่างโลหะกับโลหะ
กระบวนการนี้นำเสนอความท้าทายบางประการกล่าวคือความแม่นยำในการจัดตำแหน่งของพันธะในบางกรณีความแม่นยำในการจัดตำแหน่งจะอยู่ในลำดับหลายไมครอนอุตสาหกรรมต้องการความสามารถย่อยμm
“ ในขณะที่การจัดตำแหน่งของแม่พิมพ์และปริมาณงานเป็นความท้าทายทางวิศวกรรม แต่ตัวยึดชิปฟลิปได้ก้าวไปข้างหน้าอย่างมากแล้วยังคงมีความท้าทายในการจัดการกับแม่พิมพ์ที่มีระดับความสะอาดเท่ากันกับประชากรทั้งหมด” Uhrmann จาก EV Group กล่าว“ การเชื่อมแบบเวเฟอร์กับเวเฟอร์กำลังเคลื่อนไปสู่ความต้องการของการซ้อนทับที่น้อยกว่า 100 นาโนเมตรดังนั้นจึงมีคุณสมบัติสำหรับโหนดขั้นสูงสำหรับแบบตายต่อเวเฟอร์โดยทั่วไปแล้วจะมีการพึ่งพาระหว่างความแม่นยำและปริมาณงานซึ่งความแม่นยำที่สูงกว่าจะถูกแลกเปลี่ยนโดยปริมาณงานที่ต่ำกว่าเนื่องจากเครื่องมือได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับกระบวนการแบ็กเอนด์เช่นการบัดกรีและการเชื่อมด้วยเทอร์โมคอมเพรสชันข้อกำหนด 1µm จึงดีพอสำหรับการใช้งานเป็นเวลานานการเชื่อมแบบ Die-to-wafer แบบไฮบริดได้เปลี่ยนการออกแบบอุปกรณ์ที่เกิดจากความถูกต้องและความสะอาดของอุปกรณ์เครื่องมือรุ่นใหม่ที่กำลังจะมามีข้อกำหนดที่ต่ำกว่าความแม่นยำ 500 นาโนเมตร”
อุตสาหกรรมพร้อมที่จะผูกมัดที่ ECTC BE Semiconductor (Besi) ได้นำเสนอผลลัพธ์แรกของต้นแบบตัวยึดประสานชิปกับเวเฟอร์แบบไฮบริดรุ่นใหม่โดยมีเป้าหมายข้อกำหนดขั้นสุดท้ายที่ 200nm @ 3σ, สภาพแวดล้อมห้องคลีนรูม ISO 3 พร้อม 2,000 UPH สำหรับพื้นผิวเวเฟอร์ 300 มม.
"เครื่องประกอบด้วยโต๊ะเวเฟอร์ส่วนประกอบ (ด้านล่างพื้นที่ทำงาน) โต๊ะเวเฟอร์วัสดุพิมพ์และระบบเลือกและวางที่ทำมิเรอร์สองระบบ (รวมถึงฟลิปเปอร์กล้องและหัวยึดที่เคลื่อนที่) ซึ่งทำงานพร้อมกันบนวัสดุพิมพ์หนึ่งชิ้นและเวเฟอร์ส่วนประกอบสำหรับ ปริมาณงานสองเท่า” Birgit Brandstätterผู้จัดการฝ่ายเงินทุนของ R&D ที่ Besi กล่าวในกระดาษ
เครื่องมีขั้นตอนการป้อนข้อมูลที่ใส่นิตยสารสำหรับวัสดุพิมพ์ (โฮสต์) และเวเฟอร์ส่วนประกอบฟีดเหล่านี้เข้าสู่พื้นที่การทำงานของเครื่องเวเฟอร์โฮสต์จะถูกส่งไปที่ "ตารางวัสดุพิมพ์"เวเฟอร์ส่วนประกอบจะถูกเคลื่อนย้ายไปยัง "โต๊ะเวเฟอร์" ซึ่งอยู่ด้านล่างของ "ตารางวัสดุพิมพ์"แม่พิมพ์จากแผ่นเวเฟอร์จะถูกหยิบและวางลงบนแผ่นเวเฟอร์วัสดุพิมพ์
“ วงจรการเลือกและวางเริ่มต้นด้วยการรับรู้ส่วนประกอบบนเวเฟอร์ส่วนประกอบด้วยกล้องเวเฟอร์มีการเลือกชิปแต่ละตัวที่ดีดออกด้วยเข็มอีเจ็คเตอร์หยิบขึ้นมาด้วยฟลิปเปอร์ (ทั้งซ้ายหรือขวา) พลิกและโอนไปยังเครื่องมือหยิบและวาง (ของด้านที่เกี่ยวข้อง)” Brandstätterกล่าว“ จากนั้นหัวบอนด์จะเคลื่อนดายไปเหนือกล้อง (ส่วนประกอบ) ที่มองขึ้นด้านบนซึ่งจะกำหนดตำแหน่งที่แน่นอนของแม่พิมพ์บนเครื่องมือหยิบและวางต่อจากนี้หัวพันธะจะเคลื่อนไปยังตำแหน่งวัสดุพิมพ์และกล้องพื้นผิว (ด้านล่าง) จะตรวจจับตำแหน่งพันธะที่แน่นอนบนวัสดุพิมพ์การจัดตำแหน่งไมโครมิเตอร์ย่อยจะดำเนินการกับไดรฟ์แบบเพียโซแอคทีฟและการจัดตำแหน่งในแหล่งระหว่างการเคลื่อนไหวที่แม่นยำจะใช้เพื่อปรับตำแหน่งแม่พิมพ์ให้เหมาะสมยิ่งขึ้นในที่สุดหัวพันธะจะวางแม่พิมพ์ลงบนตำแหน่งพันธะด้วยแรงยึดเหนี่ยวที่เลือกและความล่าช้าของพันธะวงจรจะดำเนินการแบบขนานสำหรับด้านซ้ายและด้านขวาและจะทำซ้ำจนกว่าวัสดุพิมพ์จะเต็ม "
เครื่องจะเปลี่ยนวัสดุพิมพ์และเวเฟอร์ส่วนประกอบโดยอัตโนมัติตามความจำเป็นสำหรับขั้นตอนการผลิตตามที่ บริษัท ระบุเพื่อให้ได้ความแม่นยำสูงจึงมีการเปิดตัวฮาร์ดแวร์การจัดตำแหน่งและเลนส์ใหม่สำหรับการจัดตำแหน่งที่รวดเร็วแข็งแกร่งและแม่นยำสูงตามข้อมูลของ บริษัท
ถึงกระนั้นการต่อสู้ยังไม่จบข้อผิดพลาดในการจัดตำแหน่งอาจปรากฏขึ้นข้อบกพร่องอาจเกิดขึ้นเช่นเดียวกับอุปกรณ์และแพ็คเกจทั้งหมดแพ็คเกจ 2.5D และ 3D ที่เชื่อมต่อแบบไฮบริดมีแนวโน้มที่จะผ่านขั้นตอนการทดสอบและการตรวจสอบมากขึ้นถึงอย่างนั้นการตายที่ไม่ดีเพียงครั้งเดียวก็สามารถฆ่าหีบห่อได้
สรุป
เห็นได้ชัดว่าพันธะไฮบริดเป็นเทคโนโลยีที่ช่วยให้เกิดมันสามารถวางไข่ผลิตภัณฑ์ประเภทใหม่ได้
แต่ลูกค้าจะต้องชั่งน้ำหนักตัวเลือกและเจาะลึกลงไปในรายละเอียดมันไม่ง่ายอย่างที่คิด (จาก Mark LaPedus)
