Kuidas kasutatakse kuumutatud vaakumpadruneid vahvlite liimimisel 3D IC integreerimiseks?

Arvukate õhemate räniplaatide kihtide virnastamine üheks võimsaks 3D-integraallülituseks on väljakutse inseneri täpsuses. Ühendamiseks hoiab kuumutatud keraamiline padrun põhja vahvli täiesti tasase ja ühtlaselt kuumana. Teine vahvel asetatakse ja lükatakse nanomeetri täpsusega peale. Padrun on kogu toimingu termiline ja mehaaniline alus. Ilma selleta ei oleks otsene liitmine või hübriidside – 3D IC-integratsiooni kriitilised tegurid – tootmismahus elujõuline. Vaadates kuumvaakumpadruni vahvlite liimimise 3D IC rakendust, näeme, kuidas täppistöötlus ja keerukad materjalid saavad kokku, et võimaldada järgmise põlvkonna pooljuhtide pakendeid.

Kuumutatud vaakumpadruni roll vahvlite liimimisel
3D IC integreerimine hõlmab paljude õhukeste räniplaatide (või stantside-kinni -vahvlite virnade) ühendamist vertikaalsete ühendustega üheks seadmeks. Peamiselt kasutatakse kahte sidumismeetodit:

Otsene sulandliimimine: kaks puhast lamedat räniplaati liimitakse kokku kõrgendatud temperatuuril (tavaliselt 200–400 kraadi) ilma vaheliimita. Van der Waalsi jõud alustavad sidumist, millele järgneb lõõmutamine kovalentsete Si-Si või SiO2-SiO2 sidemete genereerimiseks.

Hübriidside: versioon, mis kasutab ühes faasis nii dielektrilist-to-dielektrilist (SiO 2 ) kui ka metallist -metallist (sageli vasest) sidet, et saavutada samaaegselt nii mehaaniline kinnitus kui ka elektrilised ühendused. See nõuab veelgi paremat temperatuuri homogeensust ja tasasust.

Mõlemal juhul asetatakse alumine vahvel kuumutatud vaakumpadrunile. Padrunil peab olema:

Väga tasane (globaalne kõverus < 1–2 µm läbi 300 mm vahvli)

Ühtlane kuumutamine (temperatuuri kõikumine < ±0,5 ºC kogu ala ulatuses)

Töökindel vaakumi hoidmine, ei tekitata osakesi

Puhas, kõrgvaakumiga ühilduv

Materjalid: alumiiniumnitriid, ränikarbiidi padrun
Tavaliselt on padruni korpus valmistatud suure jõudlusega{0}}tehnilisest keraamikast. Valdkonnas domineerivad kaks materjali:

Alumiiniumnitriid (AlN) – seda eelistatakse sageli, kuna selle soojuspaisumise koefitsient (CTE) on räni omale väga lähedal (AlN: ~4,5 x 10-6/kraad, Si: ~2,6 x 10-6/kraad). Tihe CTE sobivus vähendab termilist pinget kütte- ja jahutustsüklite ajal, mis vähendab vahvlite väändumist ja hoiab ära sideme liidese kahjustamise. AlN-l on ka kõrge soojusjuhtivus 140-180 W/m·K, mis võimaldab kiiret ja ühtlast soojuse ülekandmist implanteeritud küttekehadest vahvlile.

Ränikarbiid (SiC) - Veelgi kõrgema temperatuuriga rakenduste jaoks (kuni 500–600 kraadi) või kui on vaja suurt jäikust. SiC-l on mõnevõrra kõrgem soojusjuhtivus (200–250 W/m·K), kuid madalam CTE (umbes 4,0 × 10–6 kraadi kohta), mis annab sellele vaatamata räni suhtes mõistliku vaste. SiC on sitkem ja kulumiskindlam kui AlN, kuid seda on ka raskem töödelda ja see on kulukam.

Mõlemad materjalid on ka head elektriisolaatorid, välistades igasuguse lekkevoolu, mis võib kahjustada plaadi õrna vooluringi või häirida joondusandureid.

Sisemise küttesüsteemi jaoks sisseehitatud takisti muster
Sisemised mustriga takistussoojendid on ühtlase kuumutamise tagamiseks kaasatud otse keraamilisse padrunisse. Tootmise ajal prinditakse või pihustatakse keraamilise substraadi kihile kõrge temperatuuriga metalli (sageli molübdeeni (Mo) või plaatina (Pt)) õhuke kile või paks kile. Seejärel kinnitatakse või põletatakse teine ​​keraamiline kiht küttekeha katva jälje peale.

Küttekeha muster on hoolikalt konstrueeritud (tavaliselt mitmetsooniline spiraal või kontsentrilised rõngad), et kompenseerida soojuskadusid padruni servas ja keskel. Iga tsoon on iseseisvalt juhitav, mis võimaldab teil temperatuuriprofiili-peenhäälestada. Saadud temperatuuri homogeensus 300 mm läbimõõdul hoitakse sageli ±0,5 kraadi juures või paremas, -kriitilise tähtsusega hübriidsidemete puhul, kus vaskpadjad peavad pärast soojuspaisumist joonduma kümnete nanomeetrite piires.

400 kraadini soojendatavad padrunid on varustatud plaatina küttekehadega. Plaatina on vastupidav oksüdatsioonile ja sellel on püsiv vastupidavus kõrgetele temperatuuridele. Molübdeen sobib suurepäraselt vaakumis või inertses keskkonnas töötamiseks kuni ligikaudu 350 kraadini.

Vaakumvaod: täpne{0}}hoidmine
Vaakumi rakendamiseks kasutatakse madalate soonte võrku, et hoida vahvlit tasapinnaliselt vastu padruni pinda. Tavaliselt lõigatakse need sooned laseriga keraamilisse pinda vaid mõne mikromeetri sügavuselt (nt 5–15 µm) ja 200–500 µm laiuselt. Lasertöötlus võimaldab saada täpseid ja jämeda{8}}servi, mis on osakeste tootmise vältimise võtmepunkt.

Soonte paigutus on kohandatud nii, et saavutada ühtlane imemine kogu vahvli tagaküljel, samas kui suurem osa pinnast jääb padruniga otsesesse kontakti, et soojust tõhusalt üle kanda. Levinud mustrid hõlmavad järgmist:

Kesktolmuimeja pordist juhivad radiaalsed kanalid

Radiaalsete kodaratega ühendatud kontsentrilised rõngad

Võrgustikud või kärgstruktuuri massiivid väga õhukeste või tugevalt deformeerunud vahvlite jaoks

Vaakumi taset jälgitakse hoolikalt - liiga vähe imemist ja vahvel võib tõusta või kummarduda; liiga palju ja vahvel võib lokaalselt kõverduda või vaakumisooned võivad jätta vahvli tagaküljele jäljed (defekt, mida nimetatakse vaakumpadruni jäljeks).

Kõrged vaakumi- ja puhtusnõuded
Kogu padrun asub kõrg-vaakumliimimiskambris, mis on ülipuhas. Ühenduspindade oksüdeerumise vältimiseks ja kinnijäänud gaasitaskute eemaldamiseks sideliideses rakendatakse tavaliselt rõhku vahemikus 10⁻⁵ kuni 10⁻⁷ mbar.

Ei mingit osakeste teket. Kõik osakesed, mis on suuremad kui paar nanomeetrit padruni pinnal või lisatakse käsitsemise käigus, tekitavad sideme kontakti tühimiku. Sellised tühimikud põhjustavad mehaanilist nõrkust, elektrilisi avatud vooluringe (hübriidsides) ja saagikuse vähenemist. Seetõttu on padrun valmistatud 1. klassi puhasruumi (ISO 3) keskkonnas, kusjuures kõik materjalid on valitud vastavalt nende vastupidavusele gaasi väljavoolu ja kulumise suhtes. Keraamilisi padruneid puhastatakse sageli megasoonilise või CO2 lumejoaga protseduure kasutades.

Täpne märkus: pinna saastumise tähtsus
Padruni pinnal ei tohi olla osakesi, mis on suuremad kui paar nanomeetrit, mis võiksid moodustada sideme kontakti tühimiku. Isegi üksainus 50 nm osake võib lokaalselt tõsta kaks vahvlit teineteisest eemale ja takistada sidet sadade mikronite laiusel alal. Sellist defekti, mida nimetatakse "sideme tühimiks", saab tuvastada skaneeriva akustilise mikroskoopia abil ja see muudab stantsi või ühenduse väärtusetuks. Kuumutatud vaakumpadruneid kontrollitakse regulaarselt automaatse optilise osakeste loenduriga ja seetõttu käsitletakse neid ainult ülipuhastes tingimustes.

Integratsioon joondus- ja liimimistööriistadega
Kuumutatud vaakumpadrun on integreeritud vahvlite ühendamise tööriista, mis tavaliselt sisaldab:

Ülemine padrun (mõnikord passiivne või ka kuumutatud), et hoida ülemist vahvlit

Tasa joondamine piesoajamite abil vahvlite -to{1}} joondamiseks alla 50 nm.

Survemehhanism sidumisjõu rakendamiseks (tavaliselt 10–100 kN 300 mm vahvlil)

Optilised või infrapunakaamerad läbiva plaadi joondusmärkide tuvastamiseks

Alumine vahvel asetatakse kuumutatud padrunile, tagatakse vaakum ja padrun kuumutatakse sidumise ajal sihttemperatuurini (nt 300 kraadi hübriidsideme jaoks). Ülemine vahvel on joondatud ja kokku puutunud. Sidumine levib lainetusena keskelt väljapoole. Seejärel jahutatakse padrun reguleeritud tingimustes, et vähendada pärast ühendamist jääkpinget.

Järeldused: 3D integratsiooni termiline ja mehaaniline alus
Soojendusega vaakumpadrun on soojus-, mehaanilise ja materjalitehnoloogia võidukäik, mis võimaldab kiipe vertikaalselt virnastada, et toita võimsaimaid tehisintellekti ja suure jõudlusega{0}}arvutussüsteeme. See pakub suurt tasasust, homogeenset kuumutamist kuni 400 kraadini ja puhast-osakestevaba pinda, muutes üksikud räniplaadid üheks mitmeotstarbeliseks 3D-seadmeks. Ühe keraamilise plaadi tasapinnalisus, mõõdetuna nanomeetrites vahemikus 300 mm, võib lõpuks määrata superarvuti jõudluse. Kuna 3D IC-integratsioon läheb üha enamatesse kihtidesse ja peenemate ühenduskohtadega, jääb kuumutatud vaakumpadrun oluliseks tööriistaks, võimaldades vaikselt räni kolmandat dimensiooni.