Cet article explore les tendances technologiques des matériaux diélectriques pour l'encapsulation 2.5D et 3D, avec des données extraites du rapport de marché IDTechEx sur ce sujet, « Matériaux et procédés pour l'encapsulation avancée des semi-conducteurs 2024-2034 ».
Portée du rapport « Matériaux et procédés pour l'encapsulation avancée des semi-conducteurs 2024-2034 ». Source : IDTechEx
Encapsulation 2.5D :
Dans le cas des boîtiers 2.5D, l'obtention d'une bande passante élevée dépend de la couche de redistribution (RDL) interne, où des caractéristiques telles que le rapport ligne/espace (L/S), les vias et les dimensions des plots sont cruciales. Cependant, les matériaux diélectriques inorganiques traditionnels, comme le SiO₂, bien que capables d'atteindre un rapport L/S optimal, présentent des constantes diélectriques élevées (Dk = 3,9) et sont tributaires des techniques de fabrication du silicium.
Cela entrave les communications à haut débit et engendre des problèmes coûteux. C'est pourquoi les chercheurs explorent des alternatives organiques présentant des constantes diélectriques plus faibles afin d'améliorer les performances et de réduire les coûts.
Les matériaux diélectriques organiques émergent comme des alternatives prometteuses pour l'encapsulation avancée des semi-conducteurs, offrant des constantes diélectriques plus faibles et des avantages économiques. Cependant, le choix du diélectrique organique approprié exige une analyse approfondie de paramètres clés. Le rapport IDTechEx « Matériaux et procédés pour l'encapsulation avancée des semi-conducteurs 2024-2034 » identifie cinq paramètres critiques pour les diélectriques organiques : la constante diélectrique (Dk), la tangente de perte (Df), le coefficient de dilatation thermique (CTE), l'allongement, le module de Young et l'absorption d'humidité. Idéalement, les matériaux présentant de faibles valeurs de Dk et Df, des CTE compatibles avec le silicium et le cuivre, un allongement élevé et un module de Young modéré garantiraient la stabilité de l'encapsulation. Toutefois, le choix des matériaux implique des compromis ; par exemple, les polymères à faible Dk peuvent présenter des coefficients de dilatation thermique (CTE) plus élevés, ce qui impacte la fiabilité des dispositifs et les architectures d'encapsulation. Par conséquent, trouver un équilibre entre ces paramètres est fondamental pour sélectionner avec succès le matériau d'encapsulation des semi-conducteurs.
Encapsulation 3D :
La réduction de l'espacement entre les points de soudure constitue un progrès constant dans l'évolution du packaging 3D. Cependant, cette approche présente des difficultés pour établir des connexions électriques fiables en raison de la hauteur et de la surface réduites des points de soudure, ce qui exige des procédés de fabrication précis. Le brasage par thermocompression (TCB) répond à ce problème en permettant un brasage à pas fin de seulement 10 µm, bien que des problèmes tels que la formation de composés intermétalliques (IMC) et le pontage entre les cordons de soudure persistent. Pour surmonter ces difficultés, la technologie de brasage hybride Cu-Cu intègre des contacts métalliques entre des matériaux diélectriques et utilise un traitement thermique pour la diffusion des atomes de cuivre, éliminant ainsi les problèmes de pontage liés à la soudure et améliorant la fiabilité du packaging des composants hautes performances. Elle est considérée comme une solution prometteuse pour l'industrie des semi-conducteurs, repoussant les limites de la miniaturisation et des performances des dispositifs électroniques.
Actuellement, le collage hybride repose sur des matériaux diélectriques inorganiques tels que le SiO₂ ou le SiCN pour l'isolation. Or, ces matériaux peinent à reproduire des motifs topographiques fins et nécessitent des techniques de fabrication avancées. En alternative, les diélectriques organiques, à l'instar des avantages qu'ils offrent dans les boîtiers 2.5D, présentent des atouts tels que des propriétés de faible constante diélectrique (low-k), réduisant ainsi le délai RC et les pertes d'insertion, limitant la migration du cuivre et améliorant la tolérance aux défauts et aux déformations. Cependant, l'utilisation de diélectriques organiques pour le collage hybride 3D demeure au stade de la recherche et du développement en raison de problèmes tels que les températures de collage élevées (les applications mémoire limitent la température de collage à moins de 250 °C, et dans certaines applications, comme les écrans, contenant des matériaux sensibles intégrés au boîtier et ne supportant pas les hautes températures, la température de collage requise doit être réduite à 150 °C). De plus, la compatibilité du matériau de collage hybride avec les polymères reste un point critique. Les caractéristiques des polymères semi-polymérisés, telles que leur faible module d'élasticité, leur comportement viscoélastique et leur adhérence, constituent des défis pour garantir la fiabilité de la surface de cuivre lors du cuivrage. Les différences de module entre le cuivre et le polymère compliquent davantage la formation de protubérances en cuivre.
Le rapport d'IDTechEx, intitulé « Matériaux et procédés pour l'encapsulation avancée des semi-conducteurs 2024-2034 », suggère qu'avec des propriétés améliorées, les diélectriques organiques pourraient devenir une solution viable pour le collage hybride. En cas de succès, l'intégration de matériaux organiques dans les processus de production de masse pourrait inciter les entreprises OSAT à adopter plus largement le collage hybride. Cette évolution pourrait étendre la disponibilité de cette technologie au-delà de quelques fonderies, car les diélectriques organiques offrent la possibilité d'alléger les normes de fabrication et de propreté rigoureuses associées aux matériaux inorganiques.
Auteur : Dr Yu-Han Chang, analyste technologique senior chez IDTechEx
