artykuły

Układy scalone w trzech wymiarach – przyszłość mikroelektroniki

Więcej niż Moore

45
6 sierpnia 2014, 08:08 Mateusz Brzostek

Through-silicon via

Przez krzem na wylot

Z pomocą przychodzi wynalazek Williama Shockleya z 1958 roku: przelotka przez krzem, czyli TSV (through-silicon via). Chodzi o kabel, czy też tunel, prostopadły do powierzchni wafla i płaszczyzny zawierającej elementy aktywne. Taką przelotką można przekazać sygnał na drugą stronę krzemowego wafla. Przelotki od dawna spotyka się na wielowarstwowych płytach drukowanych, w których tunele o ścianach pokrytych miedzią przekazują sygnał na inną warstwę. Przelotki w krzemie to po prostu przeniesienie tej idei z płyt laminatu na płyty krzemu.

Żeby zastosować TSV w praktyce, trzeba doskonale opanować technikę ich produkcji, a to nie takie łatwe. Trawienie powierzchni wafla chemikaliami trudno kontrolować, a przecież mówimy o wytrawieniu prostej dziury o głębokości wielokrotnie większej od jej średnicy. Powstałą dziurę trzeba następnie wypełnić przewodnikiem, a cały proces wpleść w etapy produkcji tak, żeby nie zakłócić wytwarzania na tym samym waflu innych elementów.

Pomysłów na tworzenie przelotek jest mnóstwo i co najmniej kilka nadaje się do produkcji masowej. Niektóre firmy chcą je robić na początku procesu litografii, inne – na samym końcu. Niektóre chcą je wiercić nanosekundowymi impulsami lasera i wygładzać ścianki kwasem, inne – wytrawiać specjalnymi, anizotropicznymi substancjami. Większość metod polega na wykonaniu jakimś sposobem „studni” w krzemowym waflu, a następnie usunięciu części materiału z drugiej strony, aż studnia zostanie odsłonięta.

Ze względu na trudności produkcyjne robienie przelotek w skomplikowanych, kosztownych jądrach jest ryzykowne. Dlatego w pierwszych etapach wykorzystania tej techniki popularne są krzemowe przekładki (ang. interposer), czyli bardzo cienkie jądra dodatkowe. Przekładka na ogół nie zawiera żadnych elementów półprzewodnikowych – tylko przelotki i metalowe połączenia. Można ją sobie wyobrazić jako odpowiednik płyty drukowanej, ale w mikroskali.

Na przekładce można zamontować kilka tradycyjnych jąder krzemowych bez przelotek. Połączenia w warstwach metalowych przekładki umożliwiają bardzo szybką, niskoenergetyczną komunikację między jądrami, a przelotki w przekładce wyprowadzają sygnały na spód i pozwalają zamontować całość na tradycyjnej obudowie i płycie drukowanej.

Układanie jąder na krzemowej przekładce już się sprawdziło w praktyce: firma Xilinx wyprodukowała tak swój najszybszy układ FPGA, Virtex 7. Na przekładce ułożono sześć jąder funkcjonalnych: cztery bloki z konfigurowalnymi bramkami logicznymi oraz dwa kontrolery szybkich interfejsów zewnętrznych.

A jak to wygląda w mikroskali?

Bloki FPGA wykonano w 28-nanometrowym procesie technologicznym w TSMC. Pasywną przekładkę – w tańszym procesie 65-nanometrowym; całość poskładała firma Amkor, specjalizująca się w technologii pakowania półprzewodników.

Jak twierdzi Xilinx, zastosowanie przekładki bardzo się opłaciło. Po pierwsze, pozwoliło podzielić cały układ na kilka mniejszych bloków. Małe układy są atrakcyjne w produkcji, bo w przypadku defektu tylko mała część wafla idzie do kosza – po prostu uzysk jest większy. Po drugie, można było połączyć na przekładce jądra wykonane w różnych procesach technologicznych: bloki FPGA zoptymalizowano pod kątem energooszczędności, a bloki interfejsów wejścia-wyjścia – pod kątem wydajności. Po trzecie, niewielkie jądra na przekładce są wytrzymalsze mechanicznie i mniej wrażliwe na różnice w rozszerzalności cieplnej materiałów.

Ale to bardzo ostrożne i mało ryzykowne podejście do wykorzystania TSV i budowy warstwowych układów. Zauważmy, że w dalszym ciągu aktywne elementy znajdują się tylko w jednej płaszczyźnie, jedne obok drugich. Co można by zrobić, mając nieco lepsze możliwości techniczne?

2