Проблемы при увеличении размеров выступов:
По мере уменьшения количества этапов сварки возникает ряд проблем. Сокращение высоты выступов и площади свариваемой поверхности делает установление надежных электрических соединений все более сложным, требуя точных производственных процессов во избежание ошибок. Критически важная соосность и шероховатость поверхности становятся первостепенными, поскольку даже незначительные неровности могут поставить под угрозу успешность соединения.
В процессе производства возникают проблемы, такие как трудности травления из-за меньшего диаметра медных столбиков и выступов, что увеличивает вероятность подтравливания. Электрохимическое осаждение (ЭХО) более сложное, поскольку обеспечение однородности и контроль соосности представляют собой более сложную задачу. Кроме того, чувствительность качества соединения к таким факторам, как соосность выступов, шероховатость поверхности и твердость, затрудняет настройку параметров, таких как температура, время и давление, по мере уменьшения размеров выступов.
Традиционные методы флип-чип-монтажа ограничены шагом в 50 или 40 мкм, что создает проблемы с надежностью, связанные с несоответствием коэффициентов теплового расширения, вызывающим деформацию и смещение кристалла. Для решения этих проблем полупроводниковая промышленность переходит к термокомпрессионному монтажу (ТКМ) для передовых применений с малым шагом, включая шаги всего в 10 мкм. ТКМ предлагает перспективный путь к достижению точности и надежности, необходимых в постоянно развивающейся сфере упаковки полупроводников, расширяя границы миниатюризации и производительности электронных устройств.
Однако, по мере уменьшения площади контакта примерно до 10 микрон, возникает ряд проблем. Меньший размер припоя увеличивает риск образования интерметаллических соединений (ИМС), что снижает проводимость и механические свойства. Кроме того, возможность соприкосновения припоев и образования перемычек во время процесса оплавления может привести к выходу микросхемы из строя. Эти ограничения становятся все более проблематичными в сценариях высокопроизводительной упаковки компонентов.
Появление гибридной медно-медной сварки:
для преодоления этих проблем технология гибридной медно-медной сварки кардинально меняет ситуацию. Эта инновационная технология включает в себя внедрение металлических контактов между диэлектрическими материалами и использование термической обработки для твердотельной диффузии атомов меди, что устраняет проблему образования перемычек, связанную с пайкой.
Преимущества гибридного соединения по сравнению с пайкой методом «флип-чип» очевидны. Во-первых, оно позволяет использовать сверхтонкий шаг и малые размеры контактов, что облегчает размещение большого количества точек ввода/вывода. Это крайне важно в современных полупроводниковых корпусах, где устройствам требуется все большее количество соединений для удовлетворения требований к производительности. Во-вторых, в отличие от пайки методом «флип-чип», которая часто основана на использовании припоев, гибридное соединение Cu-Cu исключает необходимость в припоях, снижая паразитные емкости, сопротивление и индуктивность, а также тепловое сопротивление. Наконец, уменьшенная толщина соединений гибридного соединения Cu-Cu, которая практически исключает толщину припоев в 10–30 микрон, используемую в технологии «флип-чип», открывает новые возможности для создания более компактных и эффективных полупроводниковых корпусов.
Проблемы в производстве гибридного перехода Cu-Cu:
Технология гибридного перехода Cu-Cu очень перспективна для передовой упаковки полупроводников, но она также сопряжена с рядом проблем, требующих инновационных решений для ее дальнейшего развития.
В настоящее время существует три формы гибридного соединения Cu-Cu (см. сравнительную таблицу ниже). Процесс соединения пластин (W2W) является наиболее распространенным, в то время как процесс соединения кристаллов (D2W) или чипов (C2W) является предметом интенсивных исследований и разработок, поскольку он может использоваться для гораздо большего числа применений, требующих интеграции кристаллов различных размеров.
Три формы гибридного соединения Cu-Cu. Источник: IDTechEx - "Материалы и технологии для передовой упаковки полупроводников 2024-2034"
Для всех трех методов решающим аспектом производства является среда для склеивания, где получение плоской и чистой диэлектрической поверхности посредством оптимизированной химико-механической полировки (ХМП) имеет важное значение. Кроме того, разработка диэлектрических материалов, способных выдерживать более низкие температуры отжига и более короткое время, имеет решающее значение для минимизации потенциального искажения и деформации пластины в процессе склеивания. Оптимизированное электрохимическое осаждение (ЭХО) растворов меди также может сократить время отжига и снизить температуру отжига, повышая эффективность.
В случае процесса D2W/C2W крайне важно решить проблемы, связанные с уникальностью кристаллов и краевыми эффектами, а также минимизировать загрязнение кристаллов и пластин. Для обеспечения точного размещения кристаллов с допусками до 0,2 мкм необходимы высокоточные машины для установки компонентов. Для компенсации потенциальных ошибок размещения необходимы более крупные медные площадки. Кроме того, передовые технологии обработки тонких пластин будут играть важную роль в обеспечении успеха гибридного медно-медного соединения.
Дальнейшее развитие гибридных переходов Cu-Cu, вероятно, будет сосредоточено на усовершенствовании и оптимизации этих критически важных аспектов процесса. Это включает в себя достижения в области химико-механической полировки (CMP), диэлектрических материалов, решений для электрохимического осаждения (ECD) и оборудования для захвата и перемещения, а также инновации в обработке тонких пластин. Преодоление этих проблем проложит путь к более широкому внедрению гибридных переходов Cu-Cu в передовые технологии полупроводниковой упаковки, что позволит создавать более компактные, мощные и энергоэффективные электронные устройства.
Чтобы узнать больше о 3D-упаковке полупроводников (гибридный переход Cu-Cu), ознакомьтесь с отчетом IDTechEx «Материалы и технологии для передовой упаковки полупроводников 2024-2034». Отчет разделен на четыре основные части, предлагая структурированный подход к пониманию передовой упаковки полупроводников. Часть 1 содержит всестороннее введение в технологии, тенденции развития, ключевые области применения и экосистему передовой упаковки полупроводников, предоставляя читателям полный обзор этой области. Часть 2 посвящена процессам 2.5D-упаковки, рассматривая такие важные аспекты, как диэлектрические материалы для RDL и Microvia, методы изготовления RDL и выбор материалов для EMC и MUF. Каждый подраздел в этой части представляет подробный анализ технологических процессов, технологических показателей, оценок заинтересованных сторон и будущих тенденций, предоставляя читателям полную картину.
В отчете анализ 2.5D-упаковки выходит за рамки существующего подхода и переходит к третьей части, посвященной инновационной технологии гибридных соединений Cu-Cu для 3D-упаковки полупроводников (гибридные соединения Cu-Cu). В этом разделе представлены ценные данные о процессе производства и рекомендации по выбору материалов для достижения оптимальных результатов. Также приводятся примеры успешного применения гибридных соединений Cu-Cu с использованием органических и неорганических диэлектриков. Кроме того, в заключительной главе отчета представлен 10-летний прогноз рынка передовых модулей полупроводниковой упаковки на основе органических диэлектриков. Этот прогноз охватывает как единичные, так и площадные показатели, предоставляя отрасли важную информацию о прогнозируемом росте рынка и тенденциях на следующее десятилетие.
Автор: д-р Ю-Хан Чанг, старший технологический аналитик компании IDTechEx
