artykuły

Układy scalone w trzech wymiarach – przyszłość mikroelektroniki

Więcej niż Moore

45
6 sierpnia 2014, 08:08 Mateusz Brzostek

Bogactwo konfiguracji

Produkcja wafli krzemowych z przelotkami daje projektantom mikroukładów bardzo dużo nowych możliwości.

Przekładka pasywna czy aktywna?

W przykładzie Xilinxa umieszczono elementy obliczeniowe na pasywnej przekładce, spełniającej tylko funkcję połączenia. Obok maszyn obliczeniowych można też umieścić różne rodzaje pamięci, w zależności od potrzebnej prędkości i pojemności. Można dodać elementy optoelektroniczne, na przykład superszybkie światłowodowe połączenia do innych układów.

Dzięki zastosowaniu przekładki wszystkie pozostałe elementy można produkować tak jak do tej pory; tylko sama przekładka zawiera krzemowe przelotki.

Ale w miarę jak produkcja TSV będzie coraz łatwiejsza i mniej ryzykowna, przekładka też może zacząć pełnić istotne funkcje. Na przykład analogowe elementy interfejsów wejścia-wyjścia, trudne do wyprodukowania w najlepszych procesach technologicznych, można swobodnie umieścić na przekładce. Można z niej zupełnie zrezygnować i umieścić wysokoenergetyczny układ na wierzchu (dla lepszego odprowadzania ciepła), a pod nim – pamięć albo wyspecjalizowane akceleratory, na przykład wideo.

Problemy z przelotkami

Skoro pomysł jest znany od kilkudziesięciu lat, to w czym tkwi trudność? Dlaczego dopiero teraz upowszechniają się warstwowe układy scalone? Trzeba było pokonać szereg problemów technicznych i ekonomicznych.

Najważniejsze problemy są związane z pieniędzmi. Typowy układ scalony przechodzi podczas produkcji przez kilka firm. Na przykład wafel krzemowy jest sprzedawany przez Shin-Etsu Handotai w Japonii, przechodzi litografię i pierwsze testy w TSMC na Tajwanie, jest cięty, pakowany i testowany przez Amkora w Malezji i na koniec znowu testowany i sprzedawany przez Xilinxa w USA. Wytwarzanie TSV wymaga ścisłej koordynacji poszczególnych kroków produkcyjnych; trzeba też ustalić, kto jest odpowiedzialny za defekty powstałe na różnych etapach. Dlatego pasywna przekładka jest tak atrakcyjna: pozwala prowadzić działalność w tradycyjny sposób wszystkim firmom oprócz tej, która łączy aktywne jądra z przekładką.

Inne problemy są techniczne. Jak widać na przekroju na poprzedniej stronie, krzemowa przekładka jest znacznie cieńsza od zwykłego jądra. Wafel o grubości 0,775 mm trzeba zeszlifować albo roztworzyć do grubości około 0,065 mm. Niby to nic specjalnego, bo producenci pamięci RAM i FLASH od dawna robią tak cienkie jądra, ale przekładka na ogół jest znacznie większa niż czip pamięci i bardziej narażona na pęknięcie. 

Problematyczne jest również łączenie jąder i wypełnianie przestrzeni między nimi. Używane do tej pory żywice i kleje często są zbyt gęste, aby wypełnić bardzo cienką szczelinę między przekładką a aktywnym układem. Poza tym właściwości termiczne też nie są bez znaczenia: układ musi wytrzymać bez uszczerbku takie same cykle termiczne jak zwykły, płaski mikroczip. Mikrowypusty miedziane służące do łączenia dwóch jąder trzeba spiekać z wykorzystaniem wysokiej temperatury i ultradźwięków tak, żeby nie zniszczyć kruchej przekładki. 

Wreszcie w przypadku zastosowania aktywnej przekładki lub przelotek w aktywnych jądrach trzeba zostawić wokół TSV sporo wolnego miejsca. Dziura w waflu wypełniona innym materiałem zakłóca rozkład naprężeń w krzemie i zmniejsza wytrzymałość struktury krystalicznej, a na nich często polegają metody produkcji wysokowydajnych tranzystorów. Dlatego nie dość, że sama przelotka jest ogromna w porównaniu z rozmiarem tranzystora, to jeszcze roztacza wokół strefę, w której nie można umieścić aktywnych elementów.

3