הדור הבא של שבב/אריזה תלת מימד מתחיל

הגל הראשון של השבבים מגיע לשוק תוך שימוש בטכנולוגיה הנקראת היברידי קשר, ומכשיר את הבמה לעידן חדש ותחרותי של מוצרי שבבים מבוססי תלת מימד וחבילות מתקדמות.

AMD היא הספקית הראשונה שחשפה שבבים תוך שימוש בחיבור היברידי נחושת, טכנולוגיית ערימת קוביות מתקדמת המאפשרת הדור הבא של מכשירים וחבילות דמויי תלת מימד. מליטה היברידית עורמת ומחברת שבבים באמצעות חיבורי נחושת-נחושת זעירים, המספקת צפיפות ורוחב פס גבוהים יותר מאשר סכימות קיימות של ערימת שבבים.

AMD משתמשת בטכנולוגיית מליטה היברידית של TSMC, אשר עדכנה לאחרונה את מפת הדרכים שלה בזירה. אינטל, סמסונג ואחרות מפתחות גם חיבור היברידי. ומלבד AMD, לקוחות שבבים אחרים מסתכלים על הטכנולוגיה.

"TSMC אומרת שהטכנולוגיה שלה כנראה תאומץ על ידי כל לקוחות המחשוב בעלי הביצועים הגבוהים שלהם", אמר צ'ארלס שי, אנליסט ב-Needham. "חיבור היברידי נמצא גם במפת הדרכים של כולם, או לפחות על הרדאר של כולם, ביישומים ניידים."

תהליך חדש יחסית שנערך ביצור מוליכים למחצה, מליטה היברידית נחושת היא טכנולוגיית ערימת שבבים מתקדמת שמבטיחה לתת ללקוחות שבבים כמה יתרונות תחרותיים. מה שבטוח, ערימת שבבים אינה חדשה ונמצאת בשימוש בעיצובים במשך שנים. מה שחדש הוא שחיבור היברידי מאפשר עיצובי תלת מימד כמעט מונוליטיים.

רוב השבבים אינם דורשים הדבקה היברידית. עבור אריזה, הדבקה היברידית נדחתה בעיקר עבור עיצובים מתקדמים, מכיוון שזו טכנולוגיה יקרה הכוללת מספר אתגרי ייצור. אבל זה נותן ליצרניות השבבים האלה כמה אפשרויות חדשות, וסוללת את הדרך לקראת עיצובי תלת-ממד של הדור הבא, קוביות זיכרון או רכיבי 3D DRAM וחבילות מתקדמות יותר.

ישנן מספר דרכים לפתח מוצרים מסוג זה, כולל דגם הצ'יפלט. ל שבבים, יכול להיות ליצרן שבבים תפריט של קוביות מודולריות בספרייה. לאחר מכן, הלקוחות יכולים לערבב ולהתאים את ה-chiplets ולשלב אותם בסוג חבילה קיים או בארכיטקטורה חדשה. בדוגמה אחת למתודולוגיה זו, AMD ערמה שני שבבים שפותחו באופן פנימי - מעבד וקוביות SRAM - וכתוצאה מכך חבילת 3D המשלבת MPU בעל ביצועים גבוהים עם זיכרון מטמון למעלה. המתלים מחוברים באמצעות מליטה היברידית.

ישנן דרכים אחרות ליישם צ'יפלטים. באופן מסורתי, כדי לקדם עיצוב, ספקים היו מפתחים א מערכת על שבב (SoC) ולשלב יותר פונקציות במכשיר בכל דור. גישת קנה המידה הזו של השבבים הופכת קשה ויקרה יותר בכל סיבוב. למרות שזה נותר אופציה לעיצובים חדשים, צ'יפלטים צצים כחלופה לפיתוח שבבים מורכבים.

עם chiplets, SoC גדול מפורק לקוביות קטנות יותר או בלוקי IP, ומצטבר מחדש לעיצוב חדש לחלוטין. בתיאוריה, גישת ה-chiplet מאיצה את זמן היציאה לשוק בעלויות נמוכות יותר. חיבור היברידי הוא אחד ממרכיבים רבים המאפשרים את הטכנולוגיה.

איור 1: טכנולוגיית 3D V-Cache של AMD עורמת את המטמון על מעבד. מקור: AMD

נוף אריזה
צ'יפלטים אינם סוג אריזה כשלעצמו. הם חלק ממתודולוגיה הכוללת אינטגרציה הטרוגנית, שבה מרכיבים קוביות מורכבות בחבילה מתקדמת.

אריזת IC עצמה היא שוק מסובך. בספירה האחרונה, תעשיית המוליכים למחצה פיתחה כ-1,000 סוגי חבילות. אחת הדרכים לפלח את שוק האריזות היא לפי סוג חיבורים, הכוללים חיבור חוטי, צ'יפ הפוך, אריזה ברמת רקיק (WLP) ו-vias דרך סיליקון (TSV). קישורי גומלין משמשים לחיבור קובייה אחת לאחרת בחבילות.

אמנם ישנה דחיפה להגדלת הצפיפות בחבילות, אך רבים מהמכשירים הללו עדיין מבוססים על טכנולוגיות ישנות יותר, כגון חיבור תיל ו-Flip-Chip. בפיפ-צ'יפ נוצרות בליטות נחושת זעירות המבוססות על חומרי הלחמה על גבי שבב. לאחר מכן, ההתקן הופך ומותקן על תבנית או לוח נפרד, כך שהגבשושיות נוחתות על רפידות נחושת ליצירת חיבורים חשמליים. ב-Flip-Chip, גובה הבליטה על שבב נע בין 300 מיקרומטר ל-50 מיקרומטר. גובה גובה מתייחס למרווח נתון בין בליטות סמוכות על הקובייה.

"אנחנו עדיין רואים חבילות גסות של 140 מיקרומטר עד 150 מיקרומטר. זה עדיין המיינסטרים, וזה לא ישתנה בקרוב", אמרה אנט טנג, CTO של Promex, חברת האם של טכנולוגיות QP.

תהליכי WLP, בינתיים, משמשים לייצור חבילות מאוורר, שהתחילו כטכנולוגיה גסה יחסית. OSATs פועלים כעת להגברת צפיפות המניפות על ידי כיווץ הקווים והרווחים ועל ידי הוספת עמודים ומבנים תלת מימדיים אחרים על גביהם.

"(Fan-out) מייצג סוג חבילה ממוזערת חשובה בנפח גבוה עבור סמארטפונים ויישומים ניידים אחרים", אמר ויליאם צ'ן, עמית ב- ASE. "יש לנו גם תחום תוסס של חדשנות המשרת את התחומים של מחשוב בעל ביצועים גבוהים, בינה מלאכותית, למידת מכונה ועוד."

בינתיים, 2.5D הפך ליותר ויותר מיינסטרים עבור יישומים בעלי ביצועים גבוהים, כגון מרכז נתונים, בעוד שאריזת תלת מימד אמיתית רק מתחילה. עם 3D, קוביות מוערמות או ממוקמות זו לצד זו על גבי מתקן משלב, המשלב TSVs. ה-TSVs מספקים חיבור חשמלי מהסולות ללוח.

איור 2: דוגמאות של חבילות 2.5D, מאוורר בצפיפות גבוהה (HDFO), חבילות עם גשרים וצ'יפלטים. מקור: אמקור

2.5D פותר מספר בעיות. במערכות רבות, מעבד, DRAM והתקנים אחרים מונחים על לוח. נתונים נעים בין מעבד ל-DRAM, אך לעיתים החלפה זו גורמת להשהיה ולצריכת חשמל מוגברת. בתגובה, מערכות מתקדמות רבות משלבות חבילות 2.5D עם ASICs ו-HBMs. זה מאפשר להעביר את הזיכרון קרוב יותר לפונקציות העיבוד, מה שמאפשר תפוקה מהירה יותר.

רבות מאפשרויות האריזה הללו יכולות לתמוך בשבבים, שבהם מתערבבים ומתואמים בהתאם לצרכי יצרן השבבים. "ניתן לבצע אופטימיזציה של המערכת על ידי שימוש ברכיבי המעבד הטובים ביותר עם צומת תהליך ביצועים/עלות אופטימליים", אמר Xiao Liu, מנהל תוכנית בכיר ב- Brewer Science.

באמצעות גישת ה-chiplet, הספקים פיתחו ארכיטקטורות דמויות תלת-ממד. לדוגמה, אינטל הציגה לאחרונה פלטפורמת מעבד 3D. זה משלב ליבת מעבד 3nm עם ארבע ליבות מעבד 10nm באריזה.

כל החבילות היוקרתיות רואות צמיחה, מונעת על ידי AI ויישומים אחרים. "AI כולל מחשוב בעל ביצועים גבוהים (HPC). אנו רואים ביקוש רב ל-BGA Flip-Chip, המקושר ליישומי AI או HPC. זה כולל גם 2.5D, 3D, או מאוורר בצפיפות גבוהה", אמר צ'ון לי, CTO ב- JCET.

כל אחת מהחבילות הללו משתמשת בתהליכי ייצור שונים אחד או יותר. מה שמשותף לרוב החבילות המתקדמות הוא טכנולוגיית החיבורים. במקרה זה, הוא קובע כיצד עורמים ומחברים את הקוביות בחבילה.

המעבד התלת-ממדי, HBM ושבבים אחרים של אינטל משתמשים במיקרו-גבשושיות זעירות של נחושת בתור סכימות החיבור בחבילה, יחד עם תהליך היפוך שבב. עם HBM, נוצרות בליטות נחושת זעירות בכל צד של קוביות ה-DRAM. הבליטות על קוביות אלה מחוברות לאחר מכן, לפעמים באמצעות חיבור תרמו-דחיסה (TCB). בפעולה, מערכת TCB לוקחת את הכדורים, מיישרת אותם ומחברת את השבבים באמצעות כוח וחום.

כיום, המיקרו בליטות המתקדמות ביותר כוללות גובה של 40 מיקרומטר, המשתווה לגדלי גבשושיות של 20 מיקרומטר עד 25 מיקרומטר עם מרווח של 15 מיקרומטר בין הבליטות הסמוכות על התבנית. במחקר ופיתוח, הספקים עובדים על מכשירים עם גובה גבשושיות מעבר ל-40 מיקרומטר. כאן, ללקוחות יש כמה אפשרויות. ראשית, הם יכלו לפתח שבבים באמצעות מיקרו בליטות קיימות. בעיקרון, בליטות מיקרו מבוססות הלחמה משתרעות מגובה 40 מיקרומטר כיום ועד 10 מיקרומטר, שם נגמר הקיטור של התוכניות הללו.

"לניהול חתיכות קטנות של מכסי הלחמה על בליטות הלחמה זעירות יש חלוקה משלו של מסת הלחמה זמינה. ובשלב מסוים, אלה לא יהיו אמינים", אמר מייק קלי, סגן נשיא לפיתוח ואינטגרציה אריזות מתקדמות ב- אמקור. "איפשהו בין 20 מיקרומטר ל-10 מיקרומטר, הלקוחות יקפצו לגישה ההיברידית. יש לזה הרבה יתרונות. הכוח בין הקוביות נמוך. נתיב האיתות החשמלי מצוין".

בהתקשרות היברידית, המתלים מחוברים באמצעות חיבורי נחושת-נחושת זעירים, לא בליטות. עבור אריזה, נקודת המוצא להדבקה היברידית היא גובה של 10 מיקרומטר ומעלה.

הן מיקרו בליטות והן חיבור היברידי הן אפשרויות ברות קיימא. לקוחות יכולים להשתמש באחד או באחר בחבילות, בהתאם לאפליקציה.

למה קשר היברידי?
חיבור היברידי אינו חדש. במשך שנים, ספקי חיישני תמונה CMOS השתמשו בו. כדי ליצור חיישן תמונה, הספק מעבד שני פרוסות שונות בצורה מפוארת. הפרוסה הראשונה מורכבת ממספר רב של קוביות, שכל אחת מהן מורכבת ממערך פיקסלים. הפריסה השנייה מורכבת מתות מעבד האותות.

לאחר מכן, באמצעות מליטה היברידית, פרוסים מחוברים יחד עם חיבורי נחושת לנחושת ברמת מיקרומטר. לאחר מכן חותכים את הקוביות על גבי הקוביות, ויוצרות חיישני תמונה.

תהליך זה כמעט זהה לאריזה. אבל עבור אריזה, חיבור היברידי כרוך בסט שונה של אתגרי הרכבה, וזו הסיבה שהוא לא עבר לייצור עד לאחרונה.

זה טומן בחובו הבטחה גדולה. בסוף השנה שעברה, AMD הציגה מעבד שרת המשתמש בחיבור היברידי. לאחרונה, AMD הציגה את Ryzen 7 5800X3D, מעבד שולחני מתקדם. באמצעות מליטה היברידית, SRAM של 7 ננומטר נערם ונקשר על מעבד 7 ננומטר. למעשה, 64MB של זיכרון מטמון L3 מוערם על המעבד, ומשלש את צפיפות הזיכרון.

לאחר מכן, במו"פ, יש כמה פיתוחים בזירה. לדוגמה, תוך שימוש הן במיקרו בליטות והן בחיבור היברידי, Imec פיתחה את מה שהיא מכנה 3D-SoCs. ב-3D-SoCs, אתה יכול לערום כל מספר של קוביות, כגון זיכרון על לוגיקה. לשם כך, אתם מעצבים יחד את הזיכרון ואת קוביית ההיגיון כ-SoC יחיד.

חיבור היברידי מאפשר את החיבורים המתקדמים ביותר במכשירים אלה. "כדי לממש מעגלי 3D-SoC כאלה, יש להרחיב את גובה החיבור התלת-ממדי מעבר למצב העדכני הנוכחי. המחקר הנוכחי שלנו הוכיח את ההיתכנות של מימוש חיבורים כאלה בגובה של 3 מיקרומטר עבור ערימת מות-למוות וגובה 7 ננומטר עבור רקיק-ל-wafer", אמר אריק ביין, עמית בכיר, סגן נשיא למו"פ ומנהל שילוב מערכות תלת-ממד. תוכנית ב-Imac, במאמר ב-IEDM.

למרות זאת, AMD משתמשת בטכנולוגיית החיבור ההיברידית של TSMC, הנקראת SoIC. בהשוואה ל-microbumps, הטכנולוגיה של TSMC מספקת יותר מ-200X צפיפות החיבור וצפיפות החיבורים פי 15, לפי AMD. "זה מאפשר אינטגרציה יעילה וצפופה הרבה יותר תוך שימוש בשליש מהאנרגיה לאות מאשר גישות תחרותיות", אמרה ליסה סו, נשיאת ומנכ"לית AMD.

בינתיים, במצגת בכנס IEDM האחרון, דאגלס יו, סגן נשיא ב TSMC, סיפק פרטים נוספים על מפת הדרכים SoIC של החברה. זה מתאר את נתיב קנה המידה ההיברידית ב-bump pitch עבור לקוחות.

במפת הדרכים של SoIC, TSMC מתחיל עם גובה קשר של 9μm, הזמין היום. לאחר מכן, היא מתכננת להציג גובה 6 מיקרומטר, ואחריו 4.5 מיקרומטר ו-3 מיקרומטר. במילים אחרות, החברה מקווה להציג מגרש אג"ח חדש כל שנתיים בערך, ולספק דחיפה של 70% בכל דור.

ישנן מספר דרכים ליישם SoIC. לדוגמה, AMD עיצבה מעבד מבוסס 7nm ו-SRAM, המיוצרים על ידי TSMC. לאחר מכן, באמצעות SoIC, TSMC חיבר את המות עם גובה קשר של 9μm.

בתיאוריה, לאורך זמן, אתה יכול לפתח שבבים מתקדמים שונים, ולקשר אותם באמצעות הטכנולוגיה של TSMC במגרשים שונים.

מה שבטוח, הטכנולוגיה לא מחליפה את קנה המידה המסורתי של שבבים. להיפך, קנה המידה של השבבים נמשך. גם TSMC וגם סמסונג מקפיצות את תהליכי הלוגיקה שלהן של 5 ננומטר עם 3 ננומטר ומעלה במחקר ופיתוח.

בשלב מסוים, המעבר מצומת תהליך אחד למשנהו סיפק דחיפה משמעותית מבחינת הספק, ביצועים ושטח (PPA) לשבבים. עם זאת, בצמתים האחרונים, היתרונות של PPA הולכים ופוחתים.

במובנים רבים, חיבור היברידי הוא דרך אחת לספק דחיפה במערכות. "בעבר, רוב יתרונות ה-PPA נעשים על ידי סיליקון. אנשים נהגו לתת קנה מידה לשבב להניע את ביצועי המערכת. אבל עכשיו, קנה המידה של שבבים כמנוע מאבד מעט קיטור", אמר שי של Needham. "בסופו של דבר, אתה רוצה ליצור קשר היברידי כדי להרים את ה-PPA הכולל ברמת המערכת. אם אתה רוצה לדייק יותר מבחינה טכנית, הייתי מציב את SoIC ככלי רב עוצמה בערכת הכלים הזמינה ללקוחות TSMC. SoIC הוא מגבר PPA נהדר לעומסי עבודה מסוימים."

אינטל, סמסונג ואחרות לא פרסמו את מפות הדרכים ההיברידיות שלהן.

אף על פי כן, מנקודת מבט אדריכלית, כל זה אינו פשוט כפי שזה נראה. הדור הבא של חבילות תלת מימד עשויות לשלב כמה שבבים מורכבים בצמתים שונים. ניתן היה לערום ולהדביק כמה קוביות באמצעות מליטה היברידית. קוביות אחרות יתגוררו במקום אחר בחבילה. אז יידרש מגוון טכנולוגיות כדי לחבר את כל החלקים.

"ייתכן שיידרש חיבור היברידי עבור אלה שדוחפים את המעטפת לפתח מוצרי מחשוב בעלי ביצועים גבוהים", אמר ריצ'רד אוטה, נשיא ומנכ"ל פרומקס. "עבור מבנים ויישומים דו-ממדיים, סביר להניח שהשבבים יהיו מחוברים זה לזה תוך שימוש בשיטות בצפיפות גבוהה. אלה כוללים מתערבים. 2D-ICs דורשים ערימת שבבים, ובכך TSVs ועמודי נחושת, כמו גם תהליכי חיבור דו-ממד בצפיפות גבוהה".

יש אתגרים אחרים. בחבילה, כל ה-dies צריכים לתקשר אחד עם השני באמצעות קישורים וממשקים למות-to-die. רוב הקישורים האלה למות הם קנייניים. ישנו מהלך לפיתוח קישורים סטנדרטיים פתוחים. "המחסום הגדול ביותר בפני ש-chiplets יהפוך ל-IP החדש הוא סטנדרטיזציה. יש להקים ממשקי תקשורת סטנדרטיים/משותפים בין שבבים כדי שזה יהיה בר-קיימא בין ספקי אריזה מרובים", אמר אוטה.

אתגרי ייצור
בחזית הייצור, בינתיים, שני סוגים של תהליכי הרכבה משתמשים בהתקשרות היברידית - רקיק-ל-Wafer ו-Wafer-to-Wfer.

ב-wafer-to-wafer, צ'יפס מעובדים על שני פרוסות בצורה נהדרת. לאחר מכן, מקשר רקיק לוקח את שני הפרוסים ומחבר אותם יחד. לבסוף, הקוביות המוערמות על הוופל נחתכות לקוביות ונבדקות.

למות-לוואפר היא אפשרות נוספת. כמו רקיק-לוואפר, צ'יפס מעובד על פרוסות בצורה נהדרת. את הקוביות חותכים רקיק אחד. לאחר מכן, קוביות אלה מחוברות על רקיקת בסיס. לבסוף, הקוביות המוערמות על הוופל נחתכות לקוביות ונבדקות.

איור 3: זרימת רקיק אל רקיק. מקור: לטי

איור 4: זרימת מת אל רקיק. מקור: לטי

מההתחלה, חשוב שיהיו מתות עם תפוקות טובות. מתים עם תשואות נמוכות עלולות להשפיע על הביצועים של המוצר הסופי. לכן, חשוב שתהיה לך אסטרטגיית בדיקה טובה מראש.

"ייתכן שבחלק מהמתלים יש פגמי ייצור שבאופן אידיאלי ייבדקו במהלך הבדיקה", אמר עאדל אלשרביני, מהנדס ראשי בכיר ב- אינטל, במהלך מצגת ב-IEDM. "עם זאת, אם כיסוי הבדיקה אינו 100%, חלק מהמתים הללו עלולים לעבור כמתים טובים. זהו אתגר מיוחד. קוביות פגומות עלולות לגרום לתפוקת מערכת סופית נמוכה יותר, במיוחד כאשר מספר הקוביות גדל".

מלבד אסטרטגיית בדיקה טובה, נדרשת זרימת תהליך תקינה. תהליך ההדבקה ההיברידית מתרחש בחדר נקי בתוך יצרנית מוליכים למחצה, לא בבית אריזה כמו ברוב סוגי האריזות.

חשוב לבצע את התהליך הזה בחדר נקי במיוחד. חדרים נקיים מסווגים לפי רמות הניקיון, המבוססות על מספר וגודל החלקיקים המותרים לכל נפח אוויר. בדרך כלל, מותגי מוליכים למחצה משלבים חדרים נקיים עם תקן ISO Class 5 או יותר. ב-ISO Class 5, בחדר נקי חייב להיות פחות מ-3,520 חלקיקים בגדלים של>0.5 מיקרומטר למטר מעוקב, על פי אמריקן רום סיסטמס. חדר נקי מסוג ISO Class 5 שווה ערך לתקן Class 100 הישן יותר.

במקרים מסוימים, הרכבת IC ב-OSAT מתבצעת בחדרים נקיים מסוג ISO 7 או בדרגה 10,000 ומעלה. זה עובד עבור רוב סוגי האריזות, אך לא עבור הדבקה היברידית. בתהליך זה, חלקיקים זעירים עלולים לפלוש לזרימה ולגרום לכשלים במכשיר.

OSATs בהחלט יכולים לבנות מתקנים עם ISO 5 חדרים נקיים, אבל זה מאמץ יקר. חיבור היברידי דורש ציוד יקר יחסית. בנוסף, חיבור היברידי כולל מספר שלבים המוכרים יותר לספקי מוליכים למחצה.

גם בזרימת רקיק-ל-Wafer וגם-די-ל-Wafer, התהליך מתחיל בתהליך דמשק יחיד במפעל. לשם כך, שכבת סיליקון דו חמצני מופקדת בצד אחד של הפרוסה. לאחר מכן, מספר רב של צינורות זעירים מעוצבים על פני השטח. הדפוסים נחרטים, ויוצרים שפע של ויאס זעירים בגודל מיקרומטר על הוואפר.

חומרי נחושת לאחר מכן מופקדים על המבנה כולו. פני השטח מישוריים באמצעות מערכת ליטוש כימי-מכני (CMP). כלי זה מצחצח משטח באמצעות כוחות מכניים.

תהליך CMP מסיר את חומרי הנחושת ומבריק את פני השטח. מה שנותר הוא חומר מתכת נחושת במעברים הזעירים.

כל התהליך חוזר על עצמו מספר פעמים. בסופו של דבר, לפרוסה יש קומץ שכבות. לכל שכבה יש צינורות נחושת זעירים, המתחברים זה לזה בשכבות הסמוכות. השכבה העליונה מורכבת ממבני נחושת גדולים יותר, המכונים רפידות קשר. חומרים דיאלקטריים מקיפים את רפידות הקשר הזעירות.

עם זאת, תהליך הדמשק, במיוחד CMP, מאתגר. זה דורש שליטה מדויקת על פני השטח של הפרוסה. "[על הפרוסה], המשטח הדיאלקטרי צריך להיות: (1) חלק במיוחד כדי להבטיח כוחות משיכה חזקים בעת הצמדת התבנית; ו-(2) טופוגרפיה נמוכה מאוד כדי למנוע חללים או מתחים מיותרים בחיבור הדיאלקטרי מראש", אמר אלשרביני במאמר ב-IEDM.

עם זאת, במהלך תהליכים אלה, עלולות להתרחש מספר בעיות. הפרוסים נוטים לצנוח או להשתחוות. לאחר מכן, במהלך תהליך ה-CMP, הכלי יכול ללטש יתר על המידה את פני השטח. שקעי רפידת הנחושת הופכים גדולים מדי. ייתכן שחלק מהרפידות לא יצטרפו במהלך תהליך ההדבקה. אם לא מלוטשים, שאריות נחושת עלולות ליצור קצרים חשמליים.

בהתקשרות היברידית, ייתכן שתהליכי CMP סטנדרטיים לא יעשו את העבודה. "זה דורש עיבוד CMP מיוחד כדי לשלוט על היחס בין תחריט כימי למכני, כמו גם את מספר שלבי CMP כדי לשמור על מישוריות המשטח הדיאלקטרי", אמר אלשרביני.

לאחר CMP, הפרוסים עוברים שלב מטרולוגיה. כלי מטרולוגיה מודד ומאפיין את הטופוגרפיה של פני השטח.

"האתגרים העיקריים בתהליך של התקשרות היברידית נחושת כוללים בקרת פגמים על פני השטח למניעת חללים, עובי רמת רקיק ומטרולוגיה של צורה יחד עם בקרת פרופיל משטח ברמת ננומטר כדי לתמוך במגע של כריות קשר היברידיות חזקות, ובקרה על יישור כריות הנחושת בחלק העליון ולמטה למות", אמר סטיבן הייברט, מנהל שיווק בכיר ב KLA.

עוד שלבים
לאחר שלב המטרולוגיה, הפרוסים עוברים תהליך ניקוי וחישול. שלב החישול מפעיל את המות.

מכאן, התהליך יכול לעבור לשני כיוונים - רקיק-ל-Wafer או Die-to-Wfer. ב-wafer-to-wafer, כבר עיבדת את הפרוסה הראשונה (A). לאחר מכן, רקיק שני (B) עם קוביות עובר את אותו תהליך (דמשקה, CMP, מטרולוגיה).

לאחר מכן, שני הפרוסים (A, B) מחוברים באמצעות מליטה היברידית. את הצ'יפס חותכים לקוביות על הוופל ונבדקים. המכשירים המוערמים שנוצרו דומים למבנים דמויי תלת מימד.

ב-die-to-wafer, בינתיים, יצרן שבבים היה לוקח את הפרוסה הראשונה ומפעיל את הקוביות. לאחר מכן, הצ'יפס שעל הפרוסה (A) נחתכים לקוביות ונבדקים.

לאחר מכן, רקיק שני (B) עובר תהליך דמשק, ואחריו CMP ושלב מטרולוגיה. רקיק זה אינו חתוך לקוביות ונשאר שלם. באמצעות מקשר, המטסים מהוופר המעובד (A) נערמים ומודבקים על פרוסת הבסיס (B).

לאחר מכן חותכים את הצ'יפס לקוביות על הפרוסה המוערמת ונבדקים. זה בתורו יוצר מכשירים דמויי תלת מימד.

עבור פרוסות-ל-Wafer וגם-Volt-to-Wafer, הספקים יכולים להשתמש באותה מערכת מדבקת רקיק. מספר ספקים מוכרים את המערכות הללו לחיבור היברידי עם דיוק מיקום ברמת ננומטר.

בפעולה, המטסים מונחים על יחידת שולחן בתוך מקשר הפרוסים. את הפרוסה המעובדת מניחים על שולחן פרוסות נפרד בבונדר. מתים מהשולחן נאספים, מיושרים ומניחים על הפרוסה המעובדת.

בשלב זה, כריות החיבור של שני המבנים מחוברות באמצעות תהליך דו-שלבי - זהו קשר דיאלקטרי לדיאלקטרי, ואחריו חיבור מתכת למתכת. "קשר היברידי ישיר מתייחס לחיבור מולקולרי של שני משטחים המורכבים מחיבורי נחושת בתוך מטריצת SiO2", הסבירה אמילי בורז'וט, מנהלת פרויקטים של אינטגרציה תלת-ממדית ב- תן לי. "כאשר שני המשטחים הללו נמצאים במגע אינטימי בטמפרטורת החדר, קשרי ואן דר ואלס יוצרים הידבקות. הקשרים הללו משתנים לאחר מכן לקשרים קוולנטיים ומתכתיים לאחר תקציב תרמי".

תהליך החיבור הוא מאתגר. "הפריט הראשון שיש לקחת בחשבון הוא דיוק המיקום והתפוקה. אנחנו צריכים לתמוך במגרש משובח במיוחד. אנחנו צריכים להיות מסוגלים למקם את המות בצורה מדויקת מאוד", אמר אלשרביני של אינטל. "זה מושג באמצעות אופטימיזציות עיצוביות כדי לוודא שלמסדי היישור יש נראות וניגודיות טובים מאוד, תוך שהם לא צורכים יותר מדי מהאזור הפעיל של התבנית."

המקשר יכול לבצע את המשימות הללו, אבל האתגר הוא למנוע חלקיקים לא רצויים ופגמים פני השטח בזרימה. חלקיק זעיר יכול לגרום לחללים בכריות החיבור. אם אפילו חלקיק של 100 ננומטר פולש לרפידות הקשר, זה יכול לגרום למאות חיבורים כושלים.

סיכום
חיבור היברידי הוא תהליך מורכב אך מאפשר. זה מאפשר מחלקה חדשה של שבבים וחבילות.

AMD היא הראשונה להשתמש בגישה זו, אך בקרוב אחרות יגיעו בעקבותיה. המירוץ רק התחיל.

סיפורים קשורים
Scaling Bump Pitchs באריזה מתקדמת
צפיפות גבוהה יותר של חיבורים תאפשר תנועה מהירה יותר של נתונים, אבל יש יותר מדרך אחת להשיג זאת.

חיבור צ'יפלטים
שינויים שיכולים לדחוף את גישת האריזה הזו למיינסטרים, והאתגרים שלפנינו.

הגל הבא של האריזה המתקדמת
רשימה ארוכה של אפשרויות דוחפת חבילות מרובות שבבים לקדמת העיצוב, תוך יצירת מספר מסחרר של אפשרויות ופשרות

אתגרים עתידיים לאריזה מתקדמת
OSATs נאבקים עם שלל בעיות, כולל עיוות, אי התאמה תרמית, אינטגרציה הטרוגנית וקווים ומרווחים דקים יותר.

מבט רחב בתוך אריזה מתקדמת
ה-CTO של JCET מדבר על ההאטה בחוק מור והעניין הגובר בגישות אריזה חדשות ובצ'יפלטים.

השלבים הבאים לאריזה ברמת הפאנל
איפה זה עובד, ואילו אתגרים נותרו לאימוץ רחב עוד יותר.

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