eng
Выпуск #10/2017
В.Ваньков, Н.Комков
3D-модули на основе кремниевых коммутационных плат
3D-модули на основе кремниевых коммутационных плат
Просмотры: 2554
Рассмотрены трехмерные (3D) системы в корпусе (СвК) на основе кремние¬вых коммутационных плат. Отмечено, что освоение технологии сборки 3D СвК – необходимый шаг на пути создания перспективных типов многофункциональных электронных устройств.
УДК 621.382
ВАК 05.27.06
DOI: 10.22184/1992-4178.2017.171.10.98.100
УДК 621.382
ВАК 05.27.06
DOI: 10.22184/1992-4178.2017.171.10.98.100
Полупроводниковая промышленность заинтересована в создании устройств малых размеров с высокой степенью интеграции, широким набором функций и доступных по стоимости. Эффективное решение этой задачи возможно с использованием систем в корпусе (СвК). За последние 10 лет было произведено более 1 млрд таких устройств, из них 40% – в виде трехмерных (3D) сборок. Сегодня этот подход к созданию микросхем является одним из основных. Рассмотрим некоторые типы современных 3D СвК и применяемые в них технологии.
Основное преимущество СвК заключается в способности интегрировать множество микросхем на основе различных технологий в единый корпус. В результате удается получить гетеросистему высокой производительности.[1]
Одно из современных направлений реализации СвК – технология 3D TSV (Through Silicon Vias – сквозные отверстия в кремнии). В ее основе лежит создание 3D-модулей с использованием кремниевых коммутационных плат (ККП), в которых металлизация создается на оборудовании для конечных операций обработки (back end of line, BEOL), в частности, на оборудовании для КМОП-технологии с медной металлизацией. Пример 3D-модуля на основе технологии 3D TSV показан на рис.1.
3D-модуль (далее – 3DМ) представляет собой систему, состоящую из двух или более микросхем, расположенных вертикально в стек на одной подложке, каждая из которых предназначена для выполнения своей функции. Конструкция 3DМ обеспечивает электрические межсоединения микросхем, содержащихся в модуле, с наружными выводами, теплоотвод (активное, пассивное охлаждение) и защиту от окружающей среды. Технология 3DМ позволяет располагать микросхемы вплотную одна к другой, уменьшая общий объем и массу системы.
В 3DМ можно размещать следующие компоненты:
• пассивные компоненты, установленные по технологии поверхностного монтажа, с типоразмером до 01005;
• интегрированные пассивные устройства на поверхности или встроенные внутрь подложки;
• микросхемы на поверхности или встроенные внутрь;
• фильтры;
• экраны;
• корпусированные микросхемы;
• разъемы;
• механические элементы.
Конструкция кремниевой коммутационной платы представлена на рис.2. К основным частям конструкции ККП относятся:
• кремниевая подложка;
• вертикальные проводящие каналы в кремнии (TSV);
• слои перераспределения сигналов (redistribution layer, RDL);
• внешние контакт-адаптеры (UBM);
• слои "стоп-травление";
• барьерные слои, ограничивающие диффузию меди в слои диэлектрика и кремния;
• нижний и верхний защитные слои пассивации;
• слои диэлектрика.
Кремниевая подложка – несущий материал, в котором устроены сквозные вертикальные каналы (TSV) для обеспечения электрического соединения уровней распределения и нижних выводов ККП.
RDL-структура представляет собой чередование слоев металлизации разводки и диэлектрика. RDL предназначены для обеспечения электрических соединений между компонентами, установленными поверх RDL, и нижними выводами ККП.
Внешние контакт-адаптеры (UBM) служат для обеспечения электрического соединения с низким сопротивлением между контактными площадками ККП и припоем. Технологические слои "стоп-травление" используются в процессе формирования слоев RDL.
Нижний и верхний слои пассивации служат защитными оболочками слоев перераспределения и кремниевой подложки. Слои диэлектрика предназначены для изоляции уровней металлизации разводки RDL.
Выбор данной конструкции обусловлен возможностями технологий полупроводниковых приборов. Для технологии 3D базовая структура является определенной и реализуется всеми фабриками-изготовителями, отличия заключаются в материале подложки (кремний, стекло, органические материалы) и методах формирования TSV (BOSCH-процесс, лазер, сверление). Создание ККП предусматривает два этапа, последовательность которых зависит от конкретных требований: формирование TSV-каналов и слоев перераспределения.
Верхний слой металла ККП, пригодный для монтажа по технологиям разварка проволокой и/или flip-chip (перевернутый кристалл), обеспечивает возможность соединения разнообразных типов микросхем: кристалл с активными схемами, кристалл с пассивными схемами, компоненты для поверхностного монтажа, чувствительные элементы МЭМС, химические и биологические сенсоры и др.
Подложка корпуса (см. рис.1) – ключевой элемент в любом 3DМ. Микросхемы могут быть соединены с подложкой и между собой посредством различных технологий, но наиболее широко используются flip-chip и разварка проволокой.
Основные функции подложки корпуса заключаются в обеспечении механического крепления для микросхем, коммутации сигналов между микросхемами и наружными выводами, размещении шин питания и земли, реализации интерфейсов модуля с элементами системы следующего уровня, регулировании температуры модуля и защиты микросхемы от воздействия окружающей среды.
Подложки корпуса изготавливаются на основе многослойных тонкопленочных структур на полупроводниковых или керамических подложках, с нанесенными металлическими проводниками и диэлектриками, на основе толстопленочной многослойной керамической технологии и на базе полимерных материалов, с большим количеством слоев металлизации.
На практике применяются многочисленные варианты техники размещения кристаллов в 3DM (вертикальное, планарное) (рис.3), обеспечивающие гибкость конструирования и технологического процесса. Для таких типов конструкций требуются уникальные решения по отведению тепла с использованием интегрального теплоотвода.
По сравнению с системой на кристалле (СнК) 3D СвК позволяет сочетать микросхемы, изготовленные по различным технологиям (например, Si, GaAs, SiGe, "кремний на изоляторе" (КНИ), МЭМС и др.). Несмотря на прогресс, за счет которого удается улучшить параметры СнК, в связи с большими временными циклами перехода на новый технологический виток, требуемыми для внедрения СнК, зачастую предпочтение отдается СвК-подходу.
По сравнению с однокристальными микросхемами, объединенными в систему, и другими
многокристальными системами 3DМ имеют ряд преимуществ:
• меньшие размеры, поскольку микросхемы в модуле можно разместить близко одна к другой, а также использовать вертикальное направление (в системах с однокристальными микросхемами большое неиспользуемое пространство корпусов);
• улучшенные электрические характеристики благодаря более коротким расстояниям между кристаллами микросхем и, следовательно, меньшей длине межсоединений;
• выше надежность из-за меньшего количества межсоединений.
В больших объемах 3DМ также позволяют снизить расходы благодаря меньшему числу компонентов сборки.
Благодаря своим возможностям, 3DM находят широкое применение в аэрокосмической, медицинской, автомобильной и других отраслях.
Освоение технологии сборки 3D СвК – необходимый шаг на пути создания перспективных типов многофункциональных электронных устройств. Наряду с ведущими мировыми производителями электронных устройств компания "Миландр" модернизирует сборочное производство для внедрения технологии 3D СвК, что позволит создавать перспективные типы отечественной ЭКБ. ●
Основное преимущество СвК заключается в способности интегрировать множество микросхем на основе различных технологий в единый корпус. В результате удается получить гетеросистему высокой производительности.[1]
Одно из современных направлений реализации СвК – технология 3D TSV (Through Silicon Vias – сквозные отверстия в кремнии). В ее основе лежит создание 3D-модулей с использованием кремниевых коммутационных плат (ККП), в которых металлизация создается на оборудовании для конечных операций обработки (back end of line, BEOL), в частности, на оборудовании для КМОП-технологии с медной металлизацией. Пример 3D-модуля на основе технологии 3D TSV показан на рис.1.
3D-модуль (далее – 3DМ) представляет собой систему, состоящую из двух или более микросхем, расположенных вертикально в стек на одной подложке, каждая из которых предназначена для выполнения своей функции. Конструкция 3DМ обеспечивает электрические межсоединения микросхем, содержащихся в модуле, с наружными выводами, теплоотвод (активное, пассивное охлаждение) и защиту от окружающей среды. Технология 3DМ позволяет располагать микросхемы вплотную одна к другой, уменьшая общий объем и массу системы.
В 3DМ можно размещать следующие компоненты:
• пассивные компоненты, установленные по технологии поверхностного монтажа, с типоразмером до 01005;
• интегрированные пассивные устройства на поверхности или встроенные внутрь подложки;
• микросхемы на поверхности или встроенные внутрь;
• фильтры;
• экраны;
• корпусированные микросхемы;
• разъемы;
• механические элементы.
Конструкция кремниевой коммутационной платы представлена на рис.2. К основным частям конструкции ККП относятся:
• кремниевая подложка;
• вертикальные проводящие каналы в кремнии (TSV);
• слои перераспределения сигналов (redistribution layer, RDL);
• внешние контакт-адаптеры (UBM);
• слои "стоп-травление";
• барьерные слои, ограничивающие диффузию меди в слои диэлектрика и кремния;
• нижний и верхний защитные слои пассивации;
• слои диэлектрика.
Кремниевая подложка – несущий материал, в котором устроены сквозные вертикальные каналы (TSV) для обеспечения электрического соединения уровней распределения и нижних выводов ККП.
RDL-структура представляет собой чередование слоев металлизации разводки и диэлектрика. RDL предназначены для обеспечения электрических соединений между компонентами, установленными поверх RDL, и нижними выводами ККП.
Внешние контакт-адаптеры (UBM) служат для обеспечения электрического соединения с низким сопротивлением между контактными площадками ККП и припоем. Технологические слои "стоп-травление" используются в процессе формирования слоев RDL.
Нижний и верхний слои пассивации служат защитными оболочками слоев перераспределения и кремниевой подложки. Слои диэлектрика предназначены для изоляции уровней металлизации разводки RDL.
Выбор данной конструкции обусловлен возможностями технологий полупроводниковых приборов. Для технологии 3D базовая структура является определенной и реализуется всеми фабриками-изготовителями, отличия заключаются в материале подложки (кремний, стекло, органические материалы) и методах формирования TSV (BOSCH-процесс, лазер, сверление). Создание ККП предусматривает два этапа, последовательность которых зависит от конкретных требований: формирование TSV-каналов и слоев перераспределения.
Верхний слой металла ККП, пригодный для монтажа по технологиям разварка проволокой и/или flip-chip (перевернутый кристалл), обеспечивает возможность соединения разнообразных типов микросхем: кристалл с активными схемами, кристалл с пассивными схемами, компоненты для поверхностного монтажа, чувствительные элементы МЭМС, химические и биологические сенсоры и др.
Подложка корпуса (см. рис.1) – ключевой элемент в любом 3DМ. Микросхемы могут быть соединены с подложкой и между собой посредством различных технологий, но наиболее широко используются flip-chip и разварка проволокой.
Основные функции подложки корпуса заключаются в обеспечении механического крепления для микросхем, коммутации сигналов между микросхемами и наружными выводами, размещении шин питания и земли, реализации интерфейсов модуля с элементами системы следующего уровня, регулировании температуры модуля и защиты микросхемы от воздействия окружающей среды.
Подложки корпуса изготавливаются на основе многослойных тонкопленочных структур на полупроводниковых или керамических подложках, с нанесенными металлическими проводниками и диэлектриками, на основе толстопленочной многослойной керамической технологии и на базе полимерных материалов, с большим количеством слоев металлизации.
На практике применяются многочисленные варианты техники размещения кристаллов в 3DM (вертикальное, планарное) (рис.3), обеспечивающие гибкость конструирования и технологического процесса. Для таких типов конструкций требуются уникальные решения по отведению тепла с использованием интегрального теплоотвода.
По сравнению с системой на кристалле (СнК) 3D СвК позволяет сочетать микросхемы, изготовленные по различным технологиям (например, Si, GaAs, SiGe, "кремний на изоляторе" (КНИ), МЭМС и др.). Несмотря на прогресс, за счет которого удается улучшить параметры СнК, в связи с большими временными циклами перехода на новый технологический виток, требуемыми для внедрения СнК, зачастую предпочтение отдается СвК-подходу.
По сравнению с однокристальными микросхемами, объединенными в систему, и другими
многокристальными системами 3DМ имеют ряд преимуществ:
• меньшие размеры, поскольку микросхемы в модуле можно разместить близко одна к другой, а также использовать вертикальное направление (в системах с однокристальными микросхемами большое неиспользуемое пространство корпусов);
• улучшенные электрические характеристики благодаря более коротким расстояниям между кристаллами микросхем и, следовательно, меньшей длине межсоединений;
• выше надежность из-за меньшего количества межсоединений.
В больших объемах 3DМ также позволяют снизить расходы благодаря меньшему числу компонентов сборки.
Благодаря своим возможностям, 3DM находят широкое применение в аэрокосмической, медицинской, автомобильной и других отраслях.
Освоение технологии сборки 3D СвК – необходимый шаг на пути создания перспективных типов многофункциональных электронных устройств. Наряду с ведущими мировыми производителями электронных устройств компания "Миландр" модернизирует сборочное производство для внедрения технологии 3D СвК, что позволит создавать перспективные типы отечественной ЭКБ. ●
Отзывы читателей
