Os requisitos de superfície variam em função dos chips de alto desempenho e do menor fator de forma z da integração 3D. As estratégias de redução de custos envolvem a exploração de materiais alternativos e a melhoria da eficiência de fabrico. No campo da integração 3D, a tecnologia de microbumps continua a avançar para alcançar passos mais pequenos, com métodos inovadores de ligação Cu-Cu, como a ligação híbrida de cabeças, a atingir passos de <1 mícron. Este artigo apresenta a tecnologia híbrida Cu-Cu, incluindo o seu desenvolvimento, a metodologia de alto nível para a alcançar e as suas principais aplicações. Este artigo partilha algumas das pesquisas do relatório da IDTechEx "Advanced Semiconductor Packaging 2024-2034: Forecasts, Technologies, Applications".

Introdução à tecnologia de colagem híbrida e de microbumps

A tecnologia de microbumps, profundamente enraizada na embalagem de semicondutores, baseia-se no processo de ligação por compressão térmica (TCB) e tem uma vasta gama de aplicações em diversos produtos. A sua evolução gira principalmente em torno da miniaturização contínua da etapa de deposição dos bumps. No entanto, surge um obstáculo significativo: a redução do tamanho das esferas de solda leva ao aumento da formação de compostos intermetálicos (CIMs), comprometendo a condutividade e as propriedades mecânicas. Além disso, a proximidade dos espaços de contacto pode provocar a formação de pontes entre as esferas de solda durante a refusão, com o consequente risco de falha do chip. Como a solda e os CIMs têm uma resistividade superior à do cobre, a sua utilização na embalagem de componentes de alto desempenho enfrenta limitações.

Por outro lado, as junções híbridas representam uma mudança de paradigma ao estabelecerem interligações através de uma combinação de material dielétrico (por exemplo, SiO₂ ou SiCN) e metal incorporado (Cu). Em particular, as junções híbridas Cu-Cu atingiram dimensões de degrau inferiores a 10 micrómetros, normalmente na gama de um dígito de µm. Este avanço oferece diversas vantagens, como o aumento de E/S, maior largura de banda, empilhamento vertical 3D melhorado, maior eficiência energética e redução da interferência parasita e da resistência térmica devido à ausência de material de enchimento. No entanto, esta técnica avançada ainda apresenta desafios de fabrico e custos elevados.

Três formas de ligação híbrida Cu-Cu

Existem três métodos principais para realizar a ligação híbrida: die-to-die (D2D), die-to-wafer (D2W) e wafer-to-wafer (W2W). Cada método oferece vantagens e desvantagens distintas, que influenciam a sua adequação a diversas aplicações.

A colagem die-to-die (D2D) oferece a maior produtividade de montagem, uma vez que ambos os pellets podem ser testados individualmente antes da colagem. Este método também oferece a maior flexibilidade de design. No entanto, a sua produtividade é muito baixa e apresenta dificuldades significativas durante o processo, principalmente em relação aos efeitos de bordo, contaminação e partículas introduzidas durante a separação dos pellets. Além disso, a colagem pellet-to-pellet requer equipamento de pick-and-place de altíssima precisão. Devido a estas dificuldades de fabrico e à baixa produtividade, este método tem atualmente uma utilização comercial limitada em aplicações de colagem híbrida.

A colagem wafer-a-wafer destaca-se pela sua elevada produtividade, crucial na indústria de semicondutores. As etapas do processo são mais simples do que na colagem tradicional de wafer-a-wafer, uma vez que não há necessidade de cortar os wafers ou de realizar procedimentos de pick-and-place. No entanto, a colagem wafer-a-wafer pode reduzir a produtividade e a flexibilidade de design, uma vez que os wafers superior e inferior devem ter o mesmo tamanho. Apesar destas desvantagens, a colagem wafer-a-wafer continua a ser o método mais utilizado para a colagem de híbridos Cu-Cu nas aplicações comerciais atuais.

A colagem tablet-a-wafer ocupa uma posição intermédia entre os métodos de colagem tablet-a-tablet e wafer-a-wafer. Este método oferece maior flexibilidade de design e desempenho do que a colagem wafer-a-wafer. No entanto, enfrenta desafios relacionados com o menor rendimento e com os requisitos de processamento mais complexos. Apesar destas dificuldades, a colagem tablet-a-wafer ganhou popularidade devido à sua capacidade de equilibrar a flexibilidade de design e a eficiência de fabrico.

Em geral, a escolha do método de junção híbrida depende de fatores como os requisitos de desempenho da montagem, a flexibilidade de design, as considerações de desempenho e os desafios de processamento. Cada método oferece vantagens e desvantagens distintas, que determinam a sua aplicabilidade na embalagem e integração de semicondutores.

Aplicações da Junção Híbrida em Chips HPC:
A adoção mais proeminente da junção híbrida é feita pela AMD, que emprega a tecnologia SOIC 3D (junção híbrida) da TSMC para empilhar chips de cache L3 num único chip de computação em duas linhas de produtos: os CPUs AMD Ryzen 7000X3D para desktops (incluindo o AMD Ryzen™ 9 7950X3D e o AMD Ryzen 7 5800X3D) e o processador EPYC para computação de alto desempenho (HPC). A AMD enfatiza o papel da junção híbrida na superação das suas metas de eficiência energética com a arquitetura 3D habilitada para chiplets. A empresa destaca a sua superioridade em relação à tecnologia de microbumps 3D, citando uma densidade de interligação 15 vezes superior e uma eficiência energética 3 vezes superior. Outros exemplos incluem a Unidade de Processamento Inteligente Bow (BOW) da Graphcore, o primeiro processador 3D Wafer-on-Wafer (WoW) do mundo, que utiliza a tecnologia de 7 nm da TSMC e a tecnologia 3D SoIC da TSMC para um arranjo 3D, com 1.472 blocos IPU-Core e 900 MB de memória integrada, oferecendo um desempenho de IA até 40% mais rápido e um desempenho por watt 16% superior em comparação com o seu antecessor 2D. Outro exemplo importante é a utilização de junções híbridas em memórias de alta largura de banda (HBM). Os grandes players no mercado HBM, como a SK Hynix, a Samsung e a Micron, estão a explorar cada vez mais as junções híbridas para as suas aplicações. Embora o empilhamento de microbumps tenha sido o método tradicional de HBM, a crescente procura por maior largura de banda e eficiência energética está a impulsionar a investigação ativa em junções híbridas. Espera-se que as HBM baseadas em junções híbridas sejam comercializadas na próxima geração ou posteriormente, oferecendo uma vantagem competitiva substancial em relação às alternativas baseadas em microbumps. Isto dará a estes concorrentes uma vantagem significativa sobre o atual líder de mercado.

Resumo

A tecnologia de ligação híbrida está prestes a revolucionar o panorama dos futuros produtos de HPC e IA, oferecendo uma série de vantagens que irão moldar o setor.

Autor: Dr. Yu-Han Chang, Analista de Tecnologia Sénior da IDTechEx