Требования к поверхности варьируются в зависимости от высокопроизводительных чипов и меньшего Z-образного форм-фактора 3D-интеграции. Стратегии снижения затрат включают в себя изучение альтернативных материалов и повышение эффективности производства. В области 3D-интеграции технология микроконтактов продолжает развиваться, достигая меньших размеров ступеней, а инновационные методы соединения Cu-Cu, такие как гибридная головная сварка, позволяют достигать ступеней менее 1 микрона. В этой статье представлена ​​гибридная технология Cu-Cu, включая ее разработку, общую методологию ее достижения и ключевые области применения. В статье также приводятся некоторые исследования из отчета IDTechEx «Передовые технологии упаковки полупроводников 2024-2034: прогнозы, технологии, приложения».

Введение в технологию микроконтактного и гибридного соединения

Технология микроконтактов, глубоко укоренившаяся в полупроводниковой упаковке, основана на процессе термокомпрессионной сварки (TCB) и имеет широкий спектр применения в различных изделиях. Ее развитие в основном сосредоточено на непрерывном масштабировании этапа формирования контактных площадок. Однако возникает существенное препятствие: уменьшение размера шариков припоя приводит к увеличению образования интерметаллических соединений (ИМС), что ухудшает проводимость и механические свойства. Кроме того, близость контактных зазоров может вызывать образование перемычек между шариками припоя во время оплавления, что, как следствие, увеличивает риск отказа микросхемы. Поскольку припой и ИМС имеют более высокое удельное сопротивление, чем медь, их использование в упаковке высокопроизводительных компонентов сталкивается с ограничениями.

С другой стороны, гибридные переходы представляют собой сдвиг парадигмы, создавая межсоединения за счет комбинации диэлектрического материала (например, SiO2 или SiCN) и встроенного металла (Cu). В частности, гибридные переходы Cu-Cu достигли шага менее 10 микрометров, обычно в диапазоне нескольких микрометров. Это достижение предлагает ряд преимуществ, таких как увеличение ввода/вывода, более высокая пропускная способность, улучшенная 3D-вертикальная укладка, повышенная энергоэффективность, а также снижение паразитных помех и теплового сопротивления благодаря отсутствию наполнителя. Однако эта передовая технология по-прежнему сопряжена с производственными трудностями и высокими затратами.

Три формы гибридной связи Cu-Cu

Существует три основных метода гибридного соединения: соединение кристаллов (D2D), соединение кристаллов с подложкой (D2W) и соединение подложек (W2W). Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки, которые влияют на его пригодность для различных применений.

Соединение кристаллов друг с другом (D2D) обеспечивает самую высокую производительность сборки, поскольку оба кристалла могут быть протестированы по отдельности перед соединением. Этот метод также предлагает наибольшую гибкость проектирования. Однако его производительность очень низка, и он сопряжен со значительными трудностями в процессе, особенно в отношении краевых эффектов, загрязнения и частиц, попадающих в процессе разделения. Кроме того, соединение кристаллов друг с другом требует исключительно высокоточного оборудования для захвата и перемещения. Из-за этих производственных трудностей и низкой производительности этот метод в настоящее время имеет ограниченное коммерческое применение в гибридных приложениях соединения.

Технология соединения пластин отличается высокой производительностью, что имеет решающее значение в полупроводниковой промышленности. Этапы процесса проще, чем при соединении пластин друг с другом, поскольку нет необходимости разрезать пластины или выполнять процедуры установки компонентов. Однако соединение пластин друг с другом может снизить производительность и гибкость проектирования, поскольку верхняя и нижняя пластины должны быть одинакового размера. Несмотря на эти недостатки, соединение пластин друг с другом остается наиболее широко используемым методом соединения гибридных медных пластин в современных коммерческих приложениях.

Метод соединения таблеток с подложками занимает промежуточное положение между методами соединения таблеток и подложек. Этот метод обеспечивает большую гибкость проектирования и производительность, чем соединение подложек. Однако он сталкивается с проблемами, связанными с более низким выходом годной продукции и более сложными требованиями к технологическому процессу. Несмотря на эти трудности, метод соединения таблеток с подложками получил широкое распространение благодаря своей способности обеспечивать баланс между гибкостью проектирования и эффективностью производства.

В целом, выбор метода гибридного перехода зависит от таких факторов, как требования к характеристикам сборки, гибкость конструкции, соображения производительности и сложности обработки. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки, которые определяют его применимость в упаковке и интеграции полупроводников.

Применение гибридных соединений в высокопроизводительных вычислительных чипах.
Наиболее широкое применение гибридных соединений демонстрирует компания AMD, которая использует технологию SOIC 3D (гибридные соединения) от TSMC для размещения микросхем кэша L3 на одном вычислительном чипе в двух линейках продуктов: потребительских настольных процессорах AMD Ryzen 7000X3D (включая AMD Ryzen™ 9 7950X3D и AMD Ryzen 7 5800X3D) и процессорах EPYC для высокопроизводительных вычислений (HPC). AMD подчеркивает роль гибридных соединений в достижении целей по энергоэффективности благодаря чиплетной и 3D-архитектуре. Компания выделяет их превосходство над технологией 3D-микроконтактов, указывая на 15-кратное увеличение плотности межсоединений и 3-кратное увеличение энергоэффективности. Другие примеры включают в себя процессор Bow Intelligence Processing Unit (BOW) от Graphcore, первый в мире 3D-процессор Wafer-on-Wafer (WoW), использующий 7-нм технологию TSMC и технологию 3D SoIC от TSMC для 3D-массива, с 1472 блоками IPU-Core и 900 МБ встроенной памяти, обеспечивающий до 40% более высокую производительность ИИ и на 16% более высокую производительность на ватт по сравнению со своим 2D-предшественником. Еще один важный пример — использование гибридных соединений в высокоскоростной памяти (HBM). Крупнейшие игроки на рынке HBM, такие как SK Hynix, Samsung и Micron, все чаще изучают гибридные соединения для своих приложений. Хотя традиционным методом HBM было многослойное размещение микронасосов, растущий спрос на более высокую пропускную способность и энергоэффективность стимулирует активные исследования в области гибридных соединений. Ожидается, что гибридные транзисторы на основе микроконтактов (HBM) будут коммерциализированы в следующем поколении или позже, что обеспечит им существенное конкурентное преимущество перед альтернативами на основе микроконтактов. Это даст конкурентам значительное преимущество перед нынешним лидером рынка.

Краткое содержание

Технология гибридного соединения готова произвести революцию в сфере высокопроизводительных вычислений и искусственного интеллекта будущего, предлагая ряд преимуществ, которые определят развитие отрасли.

Автор: д-р Ю-Хан Чанг, старший технологический аналитик компании IDTechEx