Ξεκινά ο αγώνας 3D Chip/Packaging Next-Gen

Το πρώτο κύμα τσιπ έρχεται στην αγορά χρησιμοποιώντας μια τεχνολογία που ονομάζεται υβριδική συγκόλληση, θέτοντας τις βάσεις για μια νέα και ανταγωνιστική εποχή προϊόντων τσιπ που βασίζονται σε 3D και προηγμένα πακέτα.

Η AMD είναι ο πρώτος προμηθευτής που αποκάλυψε τσιπ χρησιμοποιώντας υβριδική σύνδεση χαλκού, μια προηγμένη τεχνολογία στοίβαξης που επιτρέπει συσκευές και πακέτα που μοιάζουν με 3D επόμενης γενιάς. Η υβριδική σύνδεση στοιβάζει και συνδέει τσιπ χρησιμοποιώντας μικροσκοπικές διασυνδέσεις χαλκού σε χαλκό, παρέχοντας μεγαλύτερη πυκνότητα και εύρος ζώνης από τα υπάρχοντα σχήματα διασύνδεσης στοίβαξης τσιπ.

Η AMD χρησιμοποιεί τεχνολογία υβριδικής συγκόλλησης από την TSMC, η οποία πρόσφατα ενημέρωσε τον οδικό της χάρτη στην αρένα. Η Intel, η Samsung και άλλοι αναπτύσσουν επίσης υβριδική σύνδεση. Και εκτός από την AMD, άλλοι πελάτες τσιπ εξετάζουν την τεχνολογία.

«Η TSMC λέει ότι η τεχνολογία της πιθανότατα θα υιοθετηθεί από όλους τους πελάτες της στους υπολογιστές υψηλής απόδοσης», δήλωσε ο Charles Shi, αναλυτής στο Needham. «Η υβριδική σύνδεση είναι επίσης στον οδικό χάρτη όλων, ή τουλάχιστον στο ραντάρ όλων, στις εφαρμογές για κινητά».

Μια σχετικά νέα διαδικασία που διεξάγεται σε ένα εργοστάσιο ημιαγωγών, η υβριδική συγκόλληση χαλκού είναι μια προηγμένη τεχνολογία στοίβαξης τσιπ που υπόσχεται να προσφέρει στους πελάτες τσιπ ορισμένα ανταγωνιστικά πλεονεκτήματα. Σίγουρα, η στοίβαξη τσιπ δεν είναι καινούργια και χρησιμοποιείται σε σχέδια εδώ και χρόνια. Το νέο είναι ότι η υβριδική συγκόλληση επιτρέπει σχεδόν μονολιθικά τρισδιάστατα σχέδια.

Τα περισσότερα τσιπ δεν απαιτούν υβριδική συγκόλληση. Για τη συσκευασία, η υβριδική συγκόλληση υποβιβάζεται κυρίως για σχέδια υψηλής τεχνολογίας, επειδή είναι μια ακριβή τεχνολογία που περιλαμβάνει πολλές προκλήσεις κατασκευής. Ωστόσο, δίνει σε αυτούς τους κατασκευαστές τσιπ μερικές νέες επιλογές, ανοίγοντας το δρόμο για τρισδιάστατα σχέδια επόμενης γενιάς, κύβους μνήμης ή 3D DRAM και πιο προηγμένα πακέτα.

Υπάρχουν διάφοροι τρόποι ανάπτυξης αυτών των τύπων προϊόντων, συμπεριλαμβανομένου του μοντέλου chiplet. Για τσιπ, ένας κατασκευαστής τσιπ μπορεί να έχει ένα μενού αρθρωτών καλουπιών σε μια βιβλιοθήκη. Οι πελάτες μπορούν στη συνέχεια να αναμειγνύουν και να ταιριάζουν τα chiplet και να τα ενσωματώνουν σε έναν υπάρχοντα τύπο πακέτου ή σε νέα αρχιτεκτονική. Σε ένα παράδειγμα αυτής της μεθοδολογίας, η AMD στοίβαξε δύο εσωτερικά αναπτυγμένα chiplet - έναν επεξεργαστή και ένα SRAM die - με αποτέλεσμα ένα πακέτο 3D που συνδυάζει μια MPU υψηλής απόδοσης με την προσωρινή μνήμη στην κορυφή. Οι μήτρες συνδέονται χρησιμοποιώντας υβριδική σύνδεση.

Υπάρχουν άλλοι τρόποι υλοποίησης chiplet. Παραδοσιακά, για να προωθήσουν ένα σχέδιο, οι πωλητές θα ανέπτυξαν ένα system-on-a-chip (SoC) και ενσωματώστε περισσότερες λειτουργίες στη συσκευή σε κάθε γενιά. Αυτή η προσέγγιση κλιμάκωσης τσιπ γίνεται πιο δύσκολη και δαπανηρή σε κάθε στροφή. Ενώ παραμένει μια επιλογή για νέα σχέδια, τα chiplets αναδύονται ως εναλλακτική λύση για την ανάπτυξη πολύπλοκων τσιπ.

Με τα chiplet, ένα μεγάλο SoC χωρίζεται σε μικρότερα μήτρες ή μπλοκ IP και συγκεντρώνεται εκ νέου σε έναν εντελώς νέο σχεδιασμό. Θεωρητικά, η προσέγγιση των chiplet επιταχύνει το χρόνο μέχρι την αγορά με χαμηλότερο κόστος. Η υβριδική συγκόλληση είναι ένα από τα πολλά στοιχεία που επιτρέπουν την τεχνολογία.

Εικ. 1: Η τεχνολογία 3D V-Cache της AMD στοιβάζει την κρυφή μνήμη σε έναν επεξεργαστή. Πηγή: AMD

Τοπίο συσκευασίας
Τα τσιπετάκια δεν είναι τύπος συσκευασίας από μόνα τους. Αποτελούν μέρος μιας μεθοδολογίας που περιλαμβάνει ετερογενή ενοποίηση, όπου σύνθετες μήτρες συναρμολογούνται σε προηγμένο πακέτο.

Η ίδια η συσκευασία IC είναι μια περίπλοκη αγορά. Σε τελευταία μέτρηση, η βιομηχανία ημιαγωγών έχει αναπτύξει περίπου 1,000 τύπους συσκευασιών. Ένας τρόπος για να τμηματοποιηθεί η αγορά συσκευασίας είναι ο τύπος διασύνδεσης, ο οποίος περιλαμβάνει συρμάτινο δεσμό, flip-chip, συσκευασία σε επίπεδο wafer (WLP) και vias μέσω πυριτίου (TSV). Οι διασυνδέσεις χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση ενός καλουπιού με ένα άλλο σε πακέτα.

Ενώ υπάρχει μια ώθηση για αύξηση της πυκνότητας στις συσκευασίες, πολλές από αυτές τις συσκευές εξακολουθούν να βασίζονται σε παλαιότερες τεχνολογίες, όπως η συγκόλληση σύρματος και το flip-chip. Στο flip-chip, μικροσκοπικά εξογκώματα χαλκού που βασίζονται σε υλικά συγκόλλησης σχηματίζονται πάνω από ένα τσιπ. Στη συνέχεια, η συσκευή αναποδογυρίζεται και τοποθετείται σε μια ξεχωριστή μήτρα ή σανίδα, έτσι ώστε τα χτυπήματα να προσγειώνονται σε χάλκινα μαξιλάρια για να σχηματίσουν ηλεκτρικές συνδέσεις. Στο flip-chip, τα στάδια πρόσκρουσης σε ένα τσιπ κυμαίνονται από 300μm έως 50μm. Το βήμα αναφέρεται σε ένα δεδομένο διάστημα μεταξύ γειτονικών εξογκωμάτων στο καλούπι.

«Βλέπουμε ακόμα πακέτα χονδροειδούς βήματος στα 140μm έως 150μm. Αυτό είναι ακόμα mainstream και δεν πρόκειται να αλλάξει σύντομα», δήλωσε η Annette Teng, CTO της Promex, της μητρικής εταιρείας Τεχνολογίες QP.

Οι διεργασίες WLP, εν τω μεταξύ, χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία πακέτων fan-out, που ξεκίνησαν ως μια σχετικά χονδροειδής τεχνολογία. Οι OSAT εργάζονται τώρα για να αυξήσουν την πυκνότητα των ανεμιστήρα συρρικνώνοντας τις γραμμές και τα κενά και προσθέτοντας πυλώνες και άλλες τρισδιάστατες δομές πάνω τους.

"(Fan-out) αντιπροσωπεύει έναν σημαντικό τύπο μικροσκοπικού πακέτου μεγάλου όγκου για smartphone και άλλες εφαρμογές για κινητά", δήλωσε ο William Chen, συνεργάτης στο ΧΑ. «Έχουμε επίσης μια ζωντανή περιοχή καινοτομίας που εξυπηρετεί τους τομείς των υπολογιστών υψηλής απόδοσης, της τεχνητής νοημοσύνης, της μηχανικής μάθησης και πολλά άλλα».

Εν τω μεταξύ, το 2.5D έχει γίνει όλο και πιο mainstream για εφαρμογές υψηλής απόδοσης, όπως κέντρα δεδομένων, ενώ η αληθινή 3D συσκευασία μόλις ξεκινά. Με το 2.5D, οι μήτρες στοιβάζονται ή τοποθετούνται δίπλα-δίπλα πάνω από έναν παρεμβολέα, ο οποίος ενσωματώνει TSV. Τα TSV παρέχουν ηλεκτρική σύνδεση από τις μήτρες στην πλακέτα.

Εικ. 2: Παραδείγματα πακέτων 2.5D, ανεμιστήρα υψηλής πυκνότητας (HDFO), πακέτων με γέφυρες και chiplet. Πηγή: Amkor

Το 2.5D λύνει πολλά προβλήματα. Σε πολλά συστήματα, ένας επεξεργαστής, η DRAM και άλλες συσκευές τοποθετούνται σε μια πλακέτα. Τα δεδομένα μετακινούνται μεταξύ ενός επεξεργαστή και της μνήμης DRAM, αλλά μερικές φορές αυτή η ανταλλαγή προκαλεί καθυστέρηση και αυξημένη κατανάλωση ενέργειας. Ως απόκριση, πολλά συστήματα προηγμένης τεχνολογίας ενσωματώνουν πακέτα 2.5D με ASIC και HBM. Αυτό επιτρέπει στη μνήμη να μετακινηθεί πιο κοντά στις λειτουργίες επεξεργασίας, επιτρέποντας ταχύτερη απόδοση.

Πολλές από αυτές τις επιλογές συσκευασίας μπορούν να υποστηρίξουν chiplets, όπου οι μήτρες αναμειγνύονται και ταιριάζουν σύμφωνα με τις ανάγκες ενός κατασκευαστή τσιπ. «Το σύστημα μπορεί να βελτιστοποιηθεί χρησιμοποιώντας τα καλύτερα στοιχεία επεξεργαστή με βέλτιστο κόμβο διεργασίας απόδοσης/κόστους», δήλωσε ο Xiao Liu, ανώτερος διευθυντής προγράμματος στην Brewer Science.

Χρησιμοποιώντας την προσέγγιση chiplet, οι πωλητές έχουν αναπτύξει αρχιτεκτονικές που μοιάζουν με 3D. Για παράδειγμα, η Intel παρουσίασε πρόσφατα μια πλατφόρμα 3D CPU. Αυτό συνδυάζει έναν πυρήνα επεξεργαστή 10nm με τέσσερις πυρήνες επεξεργαστή 22nm σε ένα πακέτο.

Όλα τα πακέτα προηγμένης τεχνολογίας παρουσιάζουν ανάπτυξη, με γνώμονα την τεχνητή νοημοσύνη και άλλες εφαρμογές. «Το AI περιλαμβάνει υπολογιστές υψηλής απόδοσης (HPC). Βλέπουμε μεγάλη ζήτηση για flip-chip BGA, το οποίο συνδέεται με εφαρμογές AI ή HPC. Αυτό περιλαμβάνει επίσης 2.5D, 3D ή ανεμιστήρα υψηλής πυκνότητας», δήλωσε ο Choon Lee, CTO στο JCET.

Κάθε ένα από αυτά τα πακέτα χρησιμοποιεί μία ή περισσότερες διαφορετικές διαδικασίες παραγωγής. Αυτό που είναι κοινό μεταξύ των πιο προηγμένων πακέτων είναι η τεχνολογία διασύνδεσης. Σε αυτήν την περίπτωση, καθορίζει πώς στοιβάζετε και κολλάτε τις μήτρες σε μια συσκευασία.

Η τρισδιάστατη CPU, το HBM και άλλα τσιπ της Intel χρησιμοποιούν μικροσκοπικά χάλκινα microbumps ως σχήματα διασύνδεσης στη συσκευασία, μαζί με μια διαδικασία flip-chip. Με το HBM, σχηματίζονται μικροσκοπικά χάλκινα εξογκώματα σε κάθε πλευρά των καλουπιών DRAM. Στη συνέχεια, τα εξογκώματα σε αυτές τις μήτρες συνδέονται μεταξύ τους, μερικές φορές χρησιμοποιώντας συγκόλληση θερμοσυμπίεσης (TCB). Κατά τη λειτουργία, ένα σύστημα TCB παίρνει τις μήτρες, τις ευθυγραμμίζει και συνδέει τα τσιπ χρησιμοποιώντας δύναμη και θερμότητα.

Σήμερα, τα πιο προηγμένα μικροεξογκώματα περιλαμβάνουν βήμα 40μm, που ισοδυναμεί με μεγέθη προσκρούσεων 20μm έως 25μm με απόσταση 15μm μεταξύ των παρακείμενων εξογκωμάτων στη μήτρα. Στην Ε&Α, οι πωλητές εργάζονται σε συσκευές με ανυψωτικά βήματα άνω των 40μm. Εδώ, οι πελάτες έχουν κάποιες επιλογές. Πρώτον, θα μπορούσαν να αναπτύξουν τσιπ χρησιμοποιώντας υπάρχοντα microbumps. Βασικά, τα microbumps που βασίζονται σε συγκόλληση εκτείνονται από τα 40μm γήπεδα σήμερα έως τα 10μm, όπου αυτά τα σχήματα ξεμένουν από ατμό.

«Η διαχείριση μικρών κομματιών καλύμματα συγκόλλησης σε μικροσκοπικά μικρά εξογκώματα συγκόλλησης έχει τη δική της κατανομή της διαθέσιμης μάζας συγκόλλησης. Και σε κάποιο σημείο, αυτά δεν θα είναι αξιόπιστα», δήλωσε ο Mike Kelly, αντιπρόεδρος προηγμένης ανάπτυξης και ενσωμάτωσης συσκευασιών στο Αμκόρ. «Κάπου μεταξύ 20μm και 10μm, οι πελάτες θα μεταπηδήσουν στην υβριδική προσέγγιση. Έχει πολλά πλεονεκτήματα. Η ισχύς μεταξύ της μήτρας είναι χαμηλή. Η διαδρομή ηλεκτρικής σηματοδότησης είναι εξαιρετική.»

Στην υβριδική συγκόλληση, οι μήτρες συνδέονται χρησιμοποιώντας μικροσκοπικές διασυνδέσεις χαλκού σε χαλκό, όχι εξογκώματα. Για τη συσκευασία, το σημείο εκκίνησης για την υβριδική συγκόλληση είναι γήπεδα 10μm και πέρα.

Τόσο τα microbumps όσο και η υβριδική συγκόλληση είναι βιώσιμες επιλογές. Οι πελάτες μπορούν να χρησιμοποιήσουν το ένα ή το άλλο σε πακέτα, ανάλογα με την εφαρμογή.

Γιατί υβριδική συγκόλληση;
Η υβριδική συγκόλληση δεν είναι καινούργια. Για χρόνια, οι πωλητές αισθητήρων εικόνας CMOS το χρησιμοποιούσαν. Για να δημιουργήσει έναν αισθητήρα εικόνας, ένας προμηθευτής επεξεργάζεται δύο διαφορετικά πλακίδια σε ένα fab. Η πρώτη γκοφρέτα αποτελείται από ένα πλήθος καλουπιών, καθένα από τα οποία αποτελείται από μια διάταξη pixel. Η δεύτερη γκοφρέτα αποτελείται από μήτρες επεξεργαστή σήματος.

Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας υβριδική σύνδεση, οι γκοφρέτες συνδέονται μεταξύ τους με διασυνδέσεις χαλκού σε χαλκό σε επίπεδο μm. Στη συνέχεια, οι μήτρες στη γκοφρέτα κόβονται σε κύβους, σχηματίζοντας αισθητήρες εικόνας.

Αυτή η διαδικασία είναι σχεδόν η ίδια για τη συσκευασία. Αλλά για τη συσκευασία, η υβριδική συγκόλληση περιλαμβάνει ένα διαφορετικό σύνολο προκλήσεων συναρμολόγησης, γι' αυτό και δεν έχει προχωρήσει στην παραγωγή μέχρι πρόσφατα.

Δίνει μεγάλη υπόσχεση. Στα τέλη του περασμένου έτους, η AMD παρουσίασε έναν επεξεργαστή διακομιστή που χρησιμοποιεί υβριδική σύνδεση. Πρόσφατα, η AMD παρουσίασε τον Ryzen 7 5800X3D, έναν high-end επεξεργαστή επιτραπέζιου υπολογιστή. Χρησιμοποιώντας υβριδική σύνδεση, μια SRAM 7 nm στοιβάζεται και συνδέεται σε έναν επεξεργαστή 7 nm. Στην πραγματικότητα, 64 MB προσωρινής μνήμης L3 στοιβάζονται στον επεξεργαστή, τριπλασιάζοντας την πυκνότητα της μνήμης.

Στη συνέχεια, στην Ε&Α, υπάρχουν αρκετές εξελίξεις στον στίβο. Για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας τόσο microbumps όσο και υβριδική σύνδεση, η Imec έχει αναπτύξει αυτό που αποκαλεί 3D-SoCs. Στα 3D-SoC, θα μπορούσατε να στοιβάζετε οποιονδήποτε αριθμό μήλων, όπως η μνήμη στη λογική. Για αυτό, συν-σχεδιάζετε τη μνήμη και η λογική πεθαίνει ως ένα ενιαίο SoC.

Η υβριδική συγκόλληση επιτρέπει τις πιο προηγμένες διασυνδέσεις σε αυτές τις συσκευές. «Για να υλοποιηθούν τέτοια κυκλώματα 3D-SoC, το βήμα διασύνδεσης 3D πρέπει να κλιμακωθεί περισσότερο πέρα ​​από την τρέχουσα κατάσταση αιχμής. Η τρέχουσα έρευνά μας έχει αποδείξει τη σκοπιμότητα πραγματοποίησης τέτοιων διασυνδέσεων σε βήμα 7μm για στοίβαξη die-to-die και βήμα 700nm για wafer-to-wafer», δήλωσε ο Eric Beyne, ανώτερος συνεργάτης, αντιπρόεδρος Έρευνας και Ανάπτυξης και διευθυντής της ενοποίησης συστημάτων 3D. πρόγραμμα στο Imec, σε μια εργασία στο IEDM.

Ωστόσο, η AMD χρησιμοποιεί την τεχνολογία υβριδικής συγκόλλησης της TSMC, η οποία ονομάζεται SoIC. Σε σύγκριση με τα microbumps, η τεχνολογία της TSMC παρέχει πάνω από 200 φορές την πυκνότητα σύνδεσης και 15 φορές την πυκνότητα διασύνδεσης, σύμφωνα με την AMD. «Αυτό επιτρέπει μια πολύ πιο αποτελεσματική και πιο πυκνή ολοκλήρωση χρησιμοποιώντας το ένα τρίτο της ενέργειας ανά σήμα από τις ανταγωνιστικές προσεγγίσεις», δήλωσε η Lisa Su, πρόεδρος και διευθύνουσα σύμβουλος της AMD.

Εν τω μεταξύ, σε μια παρουσίαση στο πρόσφατο συνέδριο IEDM, ο Douglas Yu, αντιπρόεδρος στο TSMC, παρείχε περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με τον οδικό χάρτη SoIC της εταιρείας. Αυτό περιγράφει τη διαδρομή κλιμάκωσης υβριδικής συγκόλλησης για τους πελάτες.

Στον οδικό χάρτη SoIC, η TSMC ξεκινά με ένα βήμα ομολόγων 9μm, το οποίο είναι διαθέσιμο σήμερα. Στη συνέχεια, σχεδιάζει να εισαγάγει ένα βήμα 6μm, ακολουθούμενο από 4.5μm και 3μm. Με άλλα λόγια, η εταιρεία ελπίζει να εισάγει ένα νέο βήμα ομολόγων κάθε δύο περίπου χρόνια, παρέχοντας ώθηση κλιμάκωσης 70% κάθε γενιά.

Υπάρχουν διάφοροι τρόποι υλοποίησης του SoIC. Για παράδειγμα, η AMD σχεδίασε έναν επεξεργαστή και SRAM που βασίζεται σε 7 nm, τα οποία κατασκευάζονται από την TSMC. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας SoIC, η TSMC συνέδεσε τις μήτρες με βήμα δεσμού 9μm.

Θεωρητικά, με την πάροδο του χρόνου, θα μπορούσατε να αναπτύξετε διάφορα προηγμένα τσιπ και να τα συνδέσετε χρησιμοποιώντας την τεχνολογία της TSMC σε διάφορα γήπεδα.

Σίγουρα, η τεχνολογία δεν αντικαθιστά την παραδοσιακή κλιμάκωση τσιπ. Αντίθετα, η κλιμάκωση των chip συνεχίζεται. Τόσο η TSMC όσο και η Samsung ενισχύουν τις λογικές διαδικασίες των 5nm με 3nm και πέρα ​​στην Ε&Α.

Κάποτε, η μετατόπιση από τον έναν κόμβο διεργασίας στον επόμενο παρείχε σημαντική ώθηση όσον αφορά την ισχύ, την απόδοση και την περιοχή (PPA) για τα τσιπ. Ωστόσο, στους πιο πρόσφατους κόμβους, τα οφέλη του PPA μειώνονται.

Με πολλούς τρόπους, η υβριδική συγκόλληση είναι ένας τρόπος για να δοθεί ώθηση στα συστήματα. «Στο παρελθόν, τα περισσότερα από τα οφέλη του ΟΛΠ γίνονται από πυρίτιο. Οι άνθρωποι συνήθιζαν να αφήνουν την κλίμακα τσιπ να οδηγεί την απόδοση του συστήματος. Αλλά τώρα, η κλιμάκωση τσιπ ως κινητήρας χάνει λίγο τον ατμό», είπε ο Shi του Needham. «Τελικά, θέλετε να έχετε υβριδική σύνδεση για να ανυψώσετε τη συνολική PPA σε επίπεδο συστήματος. Εάν θέλετε να είστε πιο ακριβείς τεχνικά, θα τοποθετούσα το SoIC ως ένα ισχυρό εργαλείο στην εργαλειοθήκη που είναι διαθέσιμη στους πελάτες της TSMC. Το SoIC είναι ένας εξαιρετικός ενισχυτής PPA για συγκεκριμένους φόρτους εργασίας.»

Η Intel, η Samsung και άλλοι δεν έχουν κυκλοφορήσει τους οδικούς χάρτες υβριδικών δεσμών τους.

Ωστόσο, από αρχιτεκτονικής άποψης, όλα αυτά δεν είναι τόσο απλά όσο μπορεί να φαίνονται. Τα πακέτα 3D επόμενης γενιάς ενδέχεται να ενσωματώνουν πολλά σύνθετα chiplet σε διαφορετικούς κόμβους. Ορισμένες μήτρες θα μπορούσαν να στοιβάζονται και να συγκολληθούν χρησιμοποιώντας υβριδική συγκόλληση. Άλλες μήτρες θα βρίσκονται αλλού στη συσκευασία. Επομένως, θα χρειαστεί μια σειρά τεχνολογιών για να συνδέσετε όλα τα κομμάτια.

«Μπορεί να απαιτηθεί υβριδική σύνδεση για όσους πιέζουν το φάκελο για να αναπτύξουν υπολογιστικά προϊόντα υψηλής απόδοσης», δήλωσε ο Richard Otte, πρόεδρος και διευθύνων σύμβουλος της Promex. «Για δισδιάστατες δομές και εφαρμογές, τα chiplet είναι πιθανό να διασυνδέονται χρησιμοποιώντας μεθόδους υψηλής πυκνότητας. Αυτά περιλαμβάνουν παρεμβολείς. Τα 2D-IC απαιτούν στοίβαξη chiplets, και συνεπώς TSV και χάλκινους πυλώνες, καθώς και τις διαδικασίες διασύνδεσης 3D υψηλής πυκνότητας.»

Υπάρχουν και άλλες προκλήσεις. Σε ένα πακέτο, όλα τα καλούπια πρέπει να επικοινωνούν μεταξύ τους χρησιμοποιώντας συνδέσμους και διεπαφές τύπου die-to-die. Οι περισσότεροι από αυτούς τους συνδέσμους "die-to-die" είναι ιδιόκτητες. Υπάρχει μια κίνηση για την ανάπτυξη ανοικτών προτύπων συνδέσμων. «Το μεγαλύτερο εμπόδιο για να γίνουν τα chiplet η νέα IP είναι η τυποποίηση. Πρέπει να δημιουργηθούν τυπικές/κοινές διεπαφές επικοινωνίας μεταξύ των chiplet για να είναι βιώσιμο σε πολλούς παρόχους συσκευασιών», δήλωσε ο Otte.

Προκλήσεις παραγωγής
Στο μέτωπο της κατασκευής, εν τω μεταξύ, δύο τύποι διαδικασιών συναρμολόγησης χρησιμοποιούν υβριδική συγκόλληση - γκοφρέτα σε γκοφρέτα και μήτρα σε γκοφρέτα.

Σε γκοφρέτα σε γκοφρέτα, τα τσιπς επεξεργάζονται σε δύο γκοφρέτες σε ένα φάβα. Έπειτα, ένα bonder bonder παίρνει τις δύο γκοφρέτες και τις συνδέει μεταξύ τους. Τέλος, οι στοιβαγμένες μήτρες στη γκοφρέτα κόβονται σε κύβους και δοκιμάζονται.

Die-to-wafer είναι μια άλλη επιλογή. Όπως και από γκοφρέτα σε γκοφρέτα, τα τσιπς επεξεργάζονται σε γκοφρέτες σε φάμπ. Οι μήτρες κόβονται σε κύβους από μία γκοφρέτα. Στη συνέχεια, αυτές οι μήτρες κολλώνται σε μια βασική γκοφρέτα. Τέλος, οι στοιβαγμένες μήτρες στη γκοφρέτα κόβονται σε κύβους και δοκιμάζονται.

Εικ. 3: Ροή από γκοφρέτα σε γκοφρέτα. Πηγή: Leti

Εικ. 4: Ροή μήτρας σε γκοφρέτα. Πηγή: Leti

Από την αρχή, είναι σημαντικό να έχουμε μήτρες με καλές αποδόσεις. Οι μήτρες με αποδόσεις κάτω της ισοτιμίας θα μπορούσαν να επηρεάσουν την απόδοση του τελικού προϊόντος. Ως εκ τούτου, είναι σημαντικό να έχετε μια καλή στρατηγική δοκιμής εκ των προτέρων.

«Ορισμένες από τις μήτρες μπορεί να έχουν κατασκευαστικά ελαττώματα που θα μπορούσαν ιδανικά να ελεγχθούν κατά τη διάρκεια της δοκιμής», δήλωσε ο Adel Elsherbini, ανώτερος κύριος μηχανικός στο Intel, κατά τη διάρκεια παρουσίασης στο IEDM. «Ωστόσο, εάν η κάλυψη της δοκιμής δεν είναι 100%, μερικά από αυτά τα καλούπια μπορεί να περάσουν ως καλές μήτρες. Αυτή είναι μια ιδιαίτερη πρόκληση. Οι ελαττωματικές μήτρες μπορεί να οδηγήσουν σε χαμηλότερη τελική απόδοση του συστήματος, ειδικά καθώς αυξάνεται ο αριθμός των καλουπιών.

Εκτός από μια καλή στρατηγική δοκιμής, απαιτείται μια υγιής ροή διαδικασίας. Η διαδικασία υβριδικής συγκόλλησης λαμβάνει χώρα σε ένα καθαρό δωμάτιο μέσα σε ένα εργοστάσιο ημιαγωγών, όχι σε ένα σπίτι συσκευασίας όπως με τους περισσότερους τύπους συσκευασιών.

Είναι σημαντικό να διεξάγετε αυτή τη διαδικασία σε ένα εξαιρετικά καθαρό καθαρό δωμάτιο. Τα Cleanrooms ταξινομούνται με βάση τα επίπεδα καθαριότητας, τα οποία βασίζονται στον αριθμό και το μέγεθος των επιτρεπόμενων σωματιδίων ανά όγκο αέρα. Γενικά, τα εργοστάσια ημιαγωγών ενσωματώνουν χώρους καθαρισμού με πρότυπο ISO Class 5 ή πιο καθαρό. Στην Κλάση ISO 5, ένας καθαρός χώρος πρέπει να έχει λιγότερα από 3,520 σωματίδια σε μεγέθη >0.5 μm ανά κυβικό μέτρο, σύμφωνα με την American Cleanroom Systems. Ένας καθαρός χώρος ISO Class 5 είναι ισοδύναμος με το παλαιότερο πρότυπο Class 100.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, η συναρμολόγηση IC σε ένα OSAT πραγματοποιείται σε καθαρούς χώρους ISO 7 ή κατηγορίας 10,000 ή υψηλότερη. Αυτό λειτουργεί για τους περισσότερους τύπους συσκευασιών, αλλά όχι για υβριδική συγκόλληση. Σε αυτή τη διαδικασία, μικροσκοπικά σωματίδια θα μπορούσαν να εισβάλουν στη ροή, προκαλώντας αστοχίες της συσκευής.

Οι OSAT σίγουρα θα μπορούσαν να κατασκευάσουν εγκαταστάσεις με καθαρές αίθουσες ISO 5, αλλά αυτό είναι μια δαπανηρή προσπάθεια. Η υβριδική συγκόλληση απαιτεί σχετικά ακριβό εξοπλισμό. Επιπλέον, η υβριδική συγκόλληση περιλαμβάνει πολλά βήματα που είναι πιο γνωστά στους πωλητές ημιαγωγών.

Τόσο στις ροές από γκοφρέτα σε γκοφρέτα όσο και σε ροές από γκοφρέτα σε γκοφρέτα, η διαδικασία ξεκινά με μια ενιαία διαδικασία δαμασκηνού στο fab. Για αυτό, ένα στρώμα διοξειδίου του πυριτίου εναποτίθεται στη μία πλευρά της γκοφρέτας. Στη συνέχεια, ένα πλήθος από μικροσκοπικές διόδους σχεδιάζονται στην επιφάνεια. Τα μοτίβα είναι χαραγμένα, δημιουργώντας ένα πλήθος μικροσκοπικών μm διαστάσεων στη γκοφρέτα.

Στη συνέχεια, τα υλικά χαλκού εναποτίθενται σε ολόκληρη τη δομή. Η επιφάνεια επιπεδώνεται χρησιμοποιώντας σύστημα χημικής-μηχανικής στίλβωσης (CMP). Αυτό το εργαλείο γυαλίζει μια επιφάνεια χρησιμοποιώντας μηχανικές δυνάμεις.

Η διαδικασία CMP αφαιρεί τα χάλκινα υλικά και γυαλίζει την επιφάνεια. Αυτό που μένει είναι υλικό επιμετάλλωσης χαλκού στις μικροσκοπικές διόδους.

Η όλη διαδικασία επαναλαμβάνεται αρκετές φορές. Τελικά, η γκοφρέτα έχει μια χούφτα στρώσεις. Κάθε στρώμα έχει μικροσκοπικές χάλκινες διόδους, οι οποίες συνδέονται μεταξύ τους στα παρακείμενα στρώματα. Το ανώτερο στρώμα αποτελείται από μεγαλύτερες χάλκινες δομές, που ονομάζονται ταμπόν σύνδεσης. Διηλεκτρικά υλικά περιβάλλουν τα μικροσκοπικά μαξιλαράκια συγκόλλησης.

Ωστόσο, η διαδικασία του Δαμασκηνού, ειδικά η ΔΕΑ, είναι προκλητική. Απαιτεί ακριβή έλεγχο σε όλη την επιφάνεια της γκοφρέτας. «[Στη γκοφρέτα], η διηλεκτρική επιφάνεια πρέπει να είναι: (1) εξαιρετικά λεία για να εξασφαλίζονται ισχυρές δυνάμεις έλξης κατά την προσάρτηση των καλουπιών. και (2) πολύ χαμηλή τοπογραφία για την αποφυγή κενών ή περιττών τάσεων στη διηλεκτρική προ-συγκόλληση», δήλωσε ο Elsherbini σε μια εργασία στο IEDM.

Ωστόσο, κατά τη διάρκεια αυτών των διαδικασιών, θα μπορούσαν να προκύψουν πολλά προβλήματα. Οι γκοφρέτες τείνουν να κρεμούν ή να υποκλίνονται. Στη συνέχεια, κατά τη διάρκεια της διαδικασίας CMP, το εργαλείο θα μπορούσε να γυαλίσει υπερβολικά την επιφάνεια. Οι εσοχές του χάλκινου μαξιλαριού γίνονται πολύ μεγάλες. Ορισμένα τακάκια ενδέχεται να μην ενωθούν κατά τη διαδικασία συγκόλλησης. Εάν δεν γυαλιστεί καλά, τα υπολείμματα χαλκού μπορεί να δημιουργήσουν ηλεκτρικά σορτς.

Στην υβριδική σύνδεση, οι τυπικές διεργασίες CMP μπορεί να μην κάνουν το κόλπο. «Αυτό απαιτεί ειδική επεξεργασία CMP για τον έλεγχο της αναλογίας της χημικής προς τη μηχανική χάραξη, καθώς και τον αριθμό των βημάτων CMP για τη διατήρηση της επιπεδότητας της διηλεκτρικής επιφάνειας», είπε ο Elsherbini.

Μετά το CMP, οι γκοφρέτες υποβάλλονται σε ένα βήμα μετρολογίας. Ένα εργαλείο μετρολογίας μετρά και χαρακτηρίζει την τοπογραφία της επιφάνειας.

«Οι κύριες προκλήσεις της διαδικασίας της υβριδικής συγκόλλησης χαλκού περιλαμβάνουν τον έλεγχο επιφανειακών ελαττωμάτων για την αποφυγή κενών, το πάχος σε επίπεδο πλακών και τη μετρολογία σχήματος μαζί με τον έλεγχο προφίλ επιφάνειας σε επίπεδο νανομέτρων για την υποστήριξη ισχυρής επαφής υβριδικού δεσμού και τον έλεγχο της ευθυγράμμισης των χάλκινων μαξιλαριών στην κορυφή και κάτω πεθαίνουν», δήλωσε ο Stephen Hiebert, ανώτερος διευθυντής μάρκετινγκ στο KLA.

Περισσότερα βήματα
Μετά το βήμα της μετρολογίας, οι γκοφρέτες υποβάλλονται σε καθαρισμό και διαδικασία ανόπτησης. Το βήμα της ανόπτησης ενεργοποιεί τις μήτρες.

Από εδώ, η διαδικασία μπορεί να προχωρήσει σε δύο κατευθύνσεις — γκοφρέτα σε γκοφρέτα ή σε γκοφρέτα. Σε γκοφρέτα σε γκοφρέτα, έχετε ήδη επεξεργαστεί την πρώτη γκοφρέτα (Α). Στη συνέχεια, μια δεύτερη γκοφρέτα (Β) με μήτρες υποβάλλεται στην ίδια διαδικασία (δαμασκηνός, CMP, μετρολογία).

Στη συνέχεια, οι δύο γκοφρέτες (Α, Β) συνδέονται χρησιμοποιώντας υβριδική σύνδεση. Τα πατατάκια κόβονται σε κύβους στη γκοφρέτα και δοκιμάζονται. Οι στοιβαγμένες συσκευές που προκύπτουν μοιάζουν με τρισδιάστατες δομές.

Εν τω μεταξύ, στο die-to-wafer, ένας κατασκευαστής τσιπ έπαιρνε την πρώτη γκοφρέτα και ενεργοποιούσε τις μήτρες. Στη συνέχεια, οι μάρκες στη γκοφρέτα (Α) κόβονται σε κύβους και δοκιμάζονται.

Στη συνέχεια, μια δεύτερη γκοφρέτα (Β) υφίσταται μια διαδικασία δαμασκηνού, ακολουθούμενη από CMP και ένα βήμα μετρολογίας. Αυτή η γκοφρέτα δεν κόβεται σε κύβους και παραμένει ανέπαφη. Χρησιμοποιώντας ένα bonder, οι μήτρες από την επεξεργασμένη γκοφρέτα (Α) στοιβάζονται και συγκολλούνται στη βασική γκοφρέτα (Β).

Στη συνέχεια, οι μάρκες κόβονται σε κύβους στη στοιβαγμένη γκοφρέτα και δοκιμάζονται. Αυτό με τη σειρά του δημιουργεί συσκευές που μοιάζουν με 3D.

Τόσο για γκοφρέτα σε γκοφρέτα όσο και για γκοφρέτα σε γκοφρέτα, οι πωλητές μπορούν να χρησιμοποιήσουν το ίδιο σύστημα κολλητών γκοφρέτας. Αρκετοί πωλητές πωλούν αυτά τα συστήματα για υβριδική συγκόλληση με ακρίβεια τοποθέτησης σε επίπεδο νανομέτρων.

Κατά τη λειτουργία, οι μήτρες τοποθετούνται σε μια επιτραπέζια μονάδα μέσα στο κολλητικό γκοφρέτας. Η επεξεργασμένη γκοφρέτα τοποθετείται σε ξεχωριστό τραπέζι γκοφρέτας στο bonder. Οι μήτρες από το τραπέζι παραλαμβάνονται, ευθυγραμμίζονται και τοποθετούνται στην επεξεργασμένη γκοφρέτα.

Σε αυτό το σημείο, τα μαξιλαράκια σύνδεσης των δύο δομών συνδέονται χρησιμοποιώντας μια διαδικασία δύο σταδίων - είναι ένας δεσμός διηλεκτρικού με διηλεκτρικό, που ακολουθείται από μια σύνδεση μετάλλου με μέταλλο. «Ο άμεσος υβριδικός δεσμός αναφέρεται στη μοριακή σύνδεση δύο επιφανειών που αποτελούνται από διασυνδέσεις χαλκού μέσα σε μια μήτρα SiO2», εξήγησε η Emilie Bourjot, υπεύθυνη έργου 3D ολοκλήρωσης στο Λέτι. «Όταν αυτές οι δύο επιφάνειες έρχονται σε στενή επαφή σε θερμοκρασία δωματίου, οι δεσμοί Van der Waals δημιουργούν πρόσφυση. Αυτοί οι δεσμοί στη συνέχεια μετατρέπονται σε ομοιοπολικούς και μεταλλικούς δεσμούς μετά από έναν θερμικό προϋπολογισμό».

Η διαδικασία συγκόλλησης είναι προκλητική. «Το πρώτο στοιχείο που πρέπει να λάβετε υπόψη είναι η ακρίβεια τοποθέτησης και η απόδοση. Πρέπει να υποστηρίξουμε τον εξαιρετικά καλό αγωνιστικό χώρο. Πρέπει να είμαστε σε θέση να τοποθετούμε τις μήτρες με μεγάλη ακρίβεια», είπε ο Elsherbini της Intel. "Αυτό επιτυγχάνεται μέσω βελτιστοποιήσεων σχεδίασης για να διασφαλιστεί ότι οι εμπειρογνώμονες ευθυγράμμισης έχουν πολύ καλή ορατότητα και αντίθεση, ενώ δεν καταναλώνουν πάρα πολύ από την ενεργή περιοχή της μήτρας."

Το bonder μπορεί να εκτελέσει αυτές τις εργασίες, αλλά η πρόκληση είναι να αποτρέψει ανεπιθύμητα σωματίδια και επιφανειακά ελαττώματα στη ροή. Ένα μικροσκοπικό σωματίδιο μπορεί να προκαλέσει κενά στα μαξιλάρια σύνδεσης. Εάν ακόμη και ένα σωματίδιο 100 nm εισβάλει στα μαξιλάρια δεσμών, μπορεί να οδηγήσει σε εκατοντάδες αποτυχημένες συνδέσεις.

Συμπέρασμα
Η υβριδική συγκόλληση είναι μια πολύπλοκη αλλά ευνοϊκή διαδικασία. Επιτρέπει μια νέα κατηγορία τσιπ και πακέτων.

Η AMD είναι η πρώτη που χρησιμοποιεί αυτήν την προσέγγιση, αλλά σύντομα θα ακολουθήσουν και άλλες. Ο αγώνας μόλις ξεκίνησε.

Σχετικές Ιστορίες
Scaling Bump Pitches σε Advanced Packaging
Η υψηλότερη πυκνότητα διασυνδέσεων θα επιτρέψει την ταχύτερη μετακίνηση δεδομένων, αλλά υπάρχουν περισσότεροι από ένας τρόποι για να επιτευχθεί αυτό.

Μαζί Chiplets
Αλλαγές που θα μπορούσαν να ωθήσουν αυτήν την προσέγγιση συσκευασίας στην επικρατούσα τάση και τις προκλήσεις που θα ακολουθήσουν.

Επόμενο κύμα Advanced Packaging
Ένας μακρύς κατάλογος επιλογών ωθεί τα πακέτα πολλαπλών τσιπ στο προσκήνιο του σχεδιασμού, ενώ δημιουργεί έναν ιλιγγιώδη αριθμό επιλογών και συμβιβασμούς

Μελλοντικές προκλήσεις για προηγμένες συσκευασίες
Οι OSAT παλεύουν με μια σειρά ζητημάτων, όπως η στρέβλωση, η θερμική αναντιστοιχία, η ετερογενής ενοποίηση και οι λεπτότερες γραμμές και διαστήματα.

Μια ευρεία ματιά στην προηγμένη συσκευασία
Ο CTO του JCET μιλά για την επιβράδυνση του νόμου του Moore και το αυξανόμενο ενδιαφέρον για νέες προσεγγίσεις συσκευασίας και chiplets.

Επόμενα βήματα για τη συσκευασία σε επίπεδο πίνακα
Πού λειτουργεί και ποιες προκλήσεις παραμένουν για ακόμη ευρύτερη υιοθέτηση.

Πηγή: https://semiengineering.com/next-gen-3d-chip-packaging-race-begins/