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多芯片包的绑定问题

分解解决了一些问题,但它创造了新的问题。

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在最先进的节点上开发芯片的成本和复杂性不断上升,正迫使许多芯片制造商开始将芯片拆分成多个部分,并非所有这些部分都需要前沿节点。挑战在于如何将这些散乱的碎片重新组装起来。

当复杂的系统集成单片 - 在单件上 - 在一块硅上时,最终产品是组件装置的热预算约束中的折衷。

3 d与非例如,需要高温多晶硅,但所需的温度降低了CMOS逻辑的性能。

将存储器和逻辑分离到单独的晶片上,允许制造商独立优化每一项技术。随着传感器、收发器和其他非cmos元素的加入,异构集成变得更加有吸引力。

问题是如何连接所有的碎片。单片集成取决于良好的良好的后端(BEOL)金属化过程。当组件分开包装时,制造商转向球网格阵列和类似的设计。但是,当两个或更多的模具组装成单个封装时,用于将它们连接的过程位于两者之间的中间地面不良。

许多系统内部设计依赖于焊接连接。拾取和放置工具将预碰撞的单一模具放在插入者上或直接在目的地晶片上。回流烘箱在单个高吞吐量步骤中完成焊接键。更柔软的焊料材料也用作柔顺的层,平滑电压可能会降低键合质量的高度变化。

不幸的是,基于焊料的技术不会扩展到图像传感器,高带宽存储器和类似应用需求的非常高密度连接。粘合过程压平并挤压焊料凸块,因此键的最终占地面积略大于凸块间距。随着这种间距下降,简单地没有空间足够的焊料来制造坚固的连接。在工作了在2019年国际晶圆级封装大会上,Xperi的Guilian Gao及其同事估计,焊基集成的最小可行间距约为40微米。

Cu-Sn焊点进一步受到差的机械性能的限制,这有助于裂缝,疲劳失败和电迁移。该行业正在寻求替代的固态粘合技术,可促进进一步的音高缩放,但没有许多过程可以匹配高速,低成本和焊接粘合的灵活性。

例如,所选择的任何粘接方案都必须能够容纳粘合焊盘和插入器的高度变化。过程温度也必须足够低,以保护设备堆栈的所有组件。当包装方案涉及多层时插入者对于附加芯片,基础层面临着特别具有挑战性的热要求。在基础之上的每一层可能需要一个单独的粘接步骤。

一种拟议的替代方案,铜铜直接粘合,具有简单性的优点。没有中间层,温度和压力使顶部和底部垫熔化成一块金属,使得最强的连接。这就是热压粘合背后的想法。一个模具上的铜柱在第二个模具上匹配垫。界面的热量和压力驱动扩散以制造永久键。典型的温度在300ºC的范围内软化铜,允许两个表面彼此巧合。尽管如此,热压粘合可能需要15至60分钟,并且需要受控气氛以防止铜氧化。

干净的表面会粘在一起
一种密切相关的技术,杂化键合,试图通过将金属嵌入介电层来防止氧化。在一个令人想起晶片互连金属化的大马士革过程中,电镀的铜填充在电介质上的孔中。CMP去除多余的铜,留下相对于电介质凹入的焊盘。将两个电介质表面接触会产生暂时的粘结。

在2019年IEEE电子元器件和技术会议上,Leti的研究人员展示了他们的工作展示使用水滴方便对准。Xperi组解释这种结合的强度足以让制造商组装一个完整的多芯片堆栈。

介电键熔接铜,防止氧化并允许粘合设备使用环境气氛。为了形成永久债券,制造商转向退火,利用铜的较大的热膨胀系数。被电介质限制,铜被迫在其自由表面上膨胀,桥接两种模具之间的间隙。然后铜扩散形成永久性冶金键。在复杂的堆叠中,单个退火步骤可以一次粘合所有组件芯片。在没有天然氧化物或其他屏障的情况下,相对低的退火温度足以。

键合焊盘的高度由CMP,成熟,受控过程限定。对于所有这些原因,晶片到晶圆混合粘合已在图像传感器等应用中使用了几年。晶片到晶片键合应用需要在晶片之间进行焊盘对齐,取决于高器件的产量,以使损耗最小化。两种晶片上的缺陷不太可能排列,因此在匹配的晶片上导致一个晶片上的缺陷可能导致相应的良好芯片丢失。

芯片到晶片和模具到插入式混合粘合可能打开更大的应用空间,允许在单个封装中允许复杂的异构体系。但是,这些应用程序还需要更复杂的过程流程。虽然晶片到晶片和模具到晶片(或插入器)过程在CMP步骤和粘合剂本身上进行类似的需求,但处理后CMP的单一芯片更具挑战性。制造线必须能够控制由固有凌乱的分割步骤产生的颗粒,避免空隙和其他粘合缺陷。

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混合粘合的较暗一侧
该方法提供了巨大的性能,但陷阱仍然存在。



1评论

Dev Gupta博士 说:

自索尼首次开始使用Ziptronix开发的Cu - Cu扩散键合以使其相机模块以来已经超过6年。然后技术的所有权改变了手。在堆叠死亡时10UM I / O间距的登记误差和收益率是多少?有什么缺陷和根本原因?2步Cu - Cu关节形成如何对CMP ED表面的平面性和清洁性有何敏感?HBM制造商(SAM,SK)继续使用Cu - Sn U支柱热压粘合,即使更精细的间距Cu - Cu会对它们产生很大的意义。虽然英特尔,TSMC等现在在他们的路线图中有杂交Cu - Cu左右,但他们不能放弃Cu - Sn Upillar FC(四分之一世纪以来,我们在摩托罗拉将其放入机器人HVM用于手机),而不是未来几年。

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