Este artigo explora as tendências tecnológicas dos materiais dielétricos para encapsulamento 2.5D e 3D, com dados extraídos do relatório de mercado da IDTechEx sobre o tema, "Materiais e Processamento para Embalagens Avançadas de Semicondutores 2024-2034".
Âmbito de "Materiais e Processamento para Embalagens Avançadas de Semicondutores 2024-2034". Fonte: IDTechEx
Encapsulamento 2.5D:
No caso do encapsulamento 2.5D, a obtenção de uma elevada largura de banda depende da camada de redistribuição (RDL) dentro do encapsulamento, onde características como a relação linha-espaço (L/S), as dimensões dos furos de passagem e dos pads são importantes. No entanto, os materiais dielétricos inorgânicos tradicionais, como o SiO2, embora capazes de atingir uma boa relação L/S, sofrem de elevadas constantes dielétricas (Dk=3,9) e estão ligados à técnica de fabrico do silício.
Isto dificulta a comunicação de alta velocidade e acarreta problemas dispendiosos. Por conseguinte, os investigadores estão a explorar alternativas orgânicas com constantes dielétricas mais baixas para melhorar o desempenho e reduzir os custos.
Os materiais dielétricos orgânicos estão a emergir como alternativas promissoras para o embalamento avançado de semicondutores, oferecendo constantes dielétricas mais baixas e vantagens de custo. No entanto, a seleção dos dielétricos orgânicos adequados requer uma análise cuidadosa dos parâmetros-chave. O relatório da IDTechEx "Materiais e Processamento para Embalagens de Semicondutores Avançadas 2024-2034" identifica cinco parâmetros críticos para dielétricos orgânicos: Dk (constante dielétrica), Df (tangente de perda), CTE (coeficiente de expansão térmica), alongamento, módulo de Young e absorção de humidade. Idealmente, materiais com Dk e Df baixos, CTE compatível com Si e Cu, elevado alongamento e módulo de Young moderado proporcionariam estabilidade à embalagem. Contudo, a seleção de materiais envolve concessões; por exemplo, polímeros com baixo Dk podem apresentar coeficientes de expansão térmica (CTE) mais elevados, impactando a fiabilidade do dispositivo e as arquiteturas de embalagem. Portanto, alcançar um equilíbrio entre estes parâmetros é fundamental para a seleção bem-sucedida do material na embalagem de semicondutores.
Encapsulamento 3D:
A redução do espaçamento entre pontos de soldadura tem sido um avanço contínuo na evolução da embalagem 3D. No entanto, esta abordagem apresenta desafios para o estabelecimento de ligações elétricas fiáveis devido à altura e à área superficial reduzidas dos pontos de soldadura, exigindo processos de fabrico precisos. A soldadura por termocompressão (TCB) resolve este problema, permitindo a soldadura com um espaçamento tão pequeno como 10 μm, embora persistam problemas como a formação de compostos intermetálicos (IMC) e a formação de pontes entre os cordões de soldadura. Para superar estes desafios, a tecnologia de soldadura híbrida Cu-Cu incorpora contactos metálicos entre materiais dielétricos e emprega um tratamento térmico para a difusão de átomos de cobre, eliminando problemas de pontes relacionados com a soldadura e melhorando a fiabilidade em embalagens de componentes de alto desempenho. É considerada uma solução promissora para a indústria de semicondutores, alargando os limites da miniaturização e do desempenho em dispositivos eletrónicos.
Atualmente, a colagem híbrida depende de materiais dielétricos inorgânicos, como o SiO₂ ou o SiCN, para isolamento, que apresentam dificuldades em alcançar padrões topográficos de escala fina e requerem técnicas de fabrico avançadas. Em alternativa, os dielétricos orgânicos, semelhantes às vantagens que oferecem nos encapsulamentos 2.5D, proporcionam benefícios como propriedades de baixa constante dielétrica (low-k), que reduzem o atraso RC e a perda de inserção, resistem à migração do cobre e toleram melhor defeitos e deformações. No entanto, a utilização de dielétricos orgânicos para a colagem híbrida 3D permanece na fase de investigação e desenvolvimento devido a problemas como as altas temperaturas de colagem (as aplicações de memória limitam a temperatura de colagem a menos de 250 °C e, em certas aplicações (como displays) que contêm materiais sensíveis embutidos na carcaça e que não suportam altas temperaturas, a temperatura de colagem deve ser reduzida para 150 °C). Além disso, a compatibilidade do material de colagem híbrida com polímeros continua a ser uma questão crítica. As características dos polímeros semi-curados, como o seu baixo módulo, comportamento viscoelástico e adesão, representam desafios para garantir a fiabilidade da superfície de cobre durante a deposição de cobre. As diferenças de módulo entre o cobre e o polímero complicam ainda mais a formação de protuberâncias de cobre.
O relatório da IDTechEx, "Materiais e Processamento para Embalagens Avançadas de Semicondutores 2024-2034", sugere que, com propriedades melhoradas, os dielétricos orgânicos podem tornar-se viáveis para a ligação híbrida. Se for bem-sucedida, a integração de materiais orgânicos nos processos de produção em massa poderá incentivar as empresas de OSAT (Out-of-Semiconductor Assembly and Test) a adotarem a ligação híbrida de forma mais ampla. Esta mudança poderá expandir a disponibilidade da tecnologia para além de algumas fundições, dado que os dielétricos orgânicos oferecem o potencial de atenuar os rigorosos padrões de fabrico e limpeza associados aos materiais inorgânicos.
Autor: Dr. Yu-Han Chang, Analista de Tecnologia Sénior da IDTechEx
