Les exigences de surface varient en fonction des puces hautes performances et du facteur de forme Z réduit de l'intégration 3D. Les stratégies de réduction des coûts consistent à explorer des matériaux alternatifs et à améliorer l'efficacité de la fabrication. Dans le domaine de l'intégration 3D, la technologie des microbilles continue de progresser pour atteindre des dimensions toujours plus petites, grâce à des méthodes de connexion Cu-Cu innovantes telles que le collage hybride, permettant d'obtenir des dimensions inférieures à 1 micron. Cet article présente la technologie hybride Cu-Cu, notamment son développement, la méthodologie générale pour sa mise en œuvre et ses principales applications. Il reprend certains éléments de recherche du rapport IDTechEx intitulé « Advanced Semiconductor Packaging 2024-2034: Forecasts, Technologies, Applications ».
Introduction à la technologie de collage par microbilles et hybrides
La technologie des microbilles, profondément ancrée dans le packaging des semi-conducteurs, repose sur le procédé de brasage par compression thermique (TCB) et trouve de nombreuses applications dans divers produits. Son évolution s'articule principalement autour de la miniaturisation continue de l'étape de microbilles. Cependant, un obstacle majeur se pose : la réduction de la taille des billes de soudure entraîne une formation accrue de composés intermétalliques (CIM), compromettant la conductivité et les propriétés mécaniques. De plus, la proximité des espaces de contact peut provoquer des pontages entre les billes de soudure lors du refusion, avec un risque de défaillance de la puce. La soudure et les CIM ayant une résistivité supérieure à celle du cuivre, leur utilisation dans le packaging de composants hautes performances est limitée.
En revanche, les jonctions hybrides représentent un changement de paradigme en établissant des interconnexions grâce à la combinaison d'un matériau diélectrique (par exemple, SiO₂ ou SiCN) et d'un métal intégré (Cu). Plus particulièrement, les jonctions hybrides Cu-Cu ont atteint des dimensions inférieures à 10 micromètres, généralement de l'ordre du micromètre. Cette avancée offre plusieurs avantages, tels qu'une augmentation des E/S, une bande passante plus large, un empilement vertical 3D amélioré, une efficacité énergétique accrue et une réduction des interférences parasites et de la résistance thermique grâce à l'absence de matériau de remplissage. Cependant, cette technique avancée présente encore des défis de fabrication et un coût élevé.
Trois formes de liaison hybride Cu-Cu
Il existe trois principales méthodes de liaison hybride : puce à puce (D2D), puce à plaquette (D2W) et plaquette à plaquette (W2W). Chaque méthode présente des avantages et des inconvénients spécifiques, qui déterminent son adéquation aux différentes applications.
Le collage puce à puce (D2D) offre le débit d'assemblage le plus élevé, car les deux pastilles peuvent être testées individuellement avant collage. Cette méthode offre également la plus grande flexibilité de conception. Cependant, son débit est très faible et elle présente des difficultés importantes lors du processus, notamment en ce qui concerne les effets de bord, la contamination et les particules introduites lors de la séparation. De plus, le collage pastille à pastille nécessite un équipement de placement de très haute précision. En raison de ces difficultés de fabrication et de son faible débit, cette méthode a actuellement une utilisation commerciale limitée dans les applications de collage hybride.
Le collage de plaquettes est réputé pour son débit élevé, un atout essentiel dans l'industrie des semi-conducteurs. Les étapes de ce procédé sont plus simples que pour le collage de plaquettes classiques, puisqu'il n'est pas nécessaire de découper les plaquettes ni d'effectuer des opérations de placement. Cependant, le collage de plaquettes classiques peut réduire le débit et la flexibilité de conception, car les plaquettes supérieure et inférieure doivent avoir la même taille. Malgré ces inconvénients, le collage de plaquettes classiques demeure la méthode la plus utilisée pour l'assemblage d'hybrides Cu-Cu dans les applications commerciales actuelles.
Le collage de comprimés sur plaquettes se situe à mi-chemin entre le collage de comprimés et le collage de plaquettes. Cette méthode offre une plus grande flexibilité de conception et de meilleures performances que le collage de plaquettes. Cependant, elle présente des inconvénients liés à un rendement inférieur et à des exigences de traitement plus complexes. Malgré ces difficultés, le collage de comprimés sur plaquettes a gagné en popularité grâce à sa capacité à concilier flexibilité de conception et efficacité de fabrication.
En général, le choix de la méthode de jonction hybride dépend de facteurs tels que les exigences de performance d'assemblage, la flexibilité de conception, les considérations de performance et les contraintes de traitement. Chaque méthode présente des avantages et des inconvénients spécifiques, qui déterminent son applicabilité dans le conditionnement et l'intégration des semi-conducteurs.
Applications de la jonction hybride dans les puces HPC.
L'adoption la plus répandue de la jonction hybride est celle d'AMD, qui utilise la technologie SOIC 3D (jonction hybride) de TSMC pour empiler les puces de cache L3 sur une seule puce de calcul dans deux gammes de produits : les processeurs de bureau grand public AMD Ryzen 7000X3D (notamment les AMD Ryzen™ 9 7950X3D et AMD Ryzen 7 5800X3D) et le processeur EPYC pour le calcul haute performance (HPC). AMD souligne le rôle de la jonction hybride dans le dépassement de ses objectifs d'efficacité énergétique grâce à l'architecture 3D et à la technologie des chiplets. L'entreprise met en avant sa supériorité par rapport à la technologie des microbilles 3D, avec une densité d'interconnexion 15 fois supérieure et une efficacité énergétique 3 fois plus élevée. Parmi les autres exemples, citons le Bow Intelligence Processing Unit (BOW) de Graphcore, le premier processeur 3D Wafer-on-Wafer (WoW) au monde. Ce processeur exploite la technologie 7 nm et la technologie 3D SoIC de TSMC pour une matrice 3D, avec 1 472 cœurs IPU et 900 Mo de mémoire embarquée. Il offre des performances d'IA jusqu'à 40 % supérieures et une efficacité énergétique 16 % plus élevée que son prédécesseur 2D. L'utilisation de la technologie de jonction hybride dans la mémoire à large bande passante (HBM) constitue un autre exemple clé. Les principaux acteurs du marché de la HBM, tels que SK Hynix, Samsung et Micron, explorent de plus en plus cette technologie pour leurs applications. Si l'empilement de micropompes a longtemps été la méthode traditionnelle de fabrication de la HBM, la demande croissante de bande passante et d'efficacité énergétique accrues stimule activement la recherche sur la technologie de jonction hybride. Les mémoires hybrides à jonctions (HBM) devraient être commercialisées dans la prochaine génération ou ultérieurement, offrant un avantage concurrentiel substantiel par rapport aux alternatives à microbilles. Ceci conférera à ces concurrents un avantage significatif sur le leader actuel du marché.
Résumé
La technologie de liaison hybride est sur le point de révolutionner le paysage des futurs produits HPC et IA, offrant une gamme d'avantages qui façonneront l'industrie.
Auteur : Dr Yu-Han Chang, analyste technologique senior chez IDTechEx
