Πώς χρησιμοποιούνται τα θερμαινόμενα τσοκ κενού στη συγκόλληση γκοφρέτας για ενσωμάτωση 3D IC;

Μια πρόκληση στη στοίβαξη πολλών στρωμάτων λεπτότερων πλακών πυριτίου σε ένα ενιαίο, ισχυρό 3D ολοκληρωμένο κύκλωμα έγκειται στη μηχανική ακρίβεια. Για τη συγκόλληση, ένα θερμαινόμενο κεραμικό τσοκ διατηρεί την κάτω γκοφρέτα απολύτως επίπεδη και ομοιόμορφα ζεστή. Μια δεύτερη γκοφρέτα τοποθετείται και πιέζεται από πάνω με ακρίβεια νανομέτρων. Το τσοκ είναι το θερμικό και μηχανικό θεμέλιο της όλης λειτουργίας. Χωρίς αυτό, η άμεση σύντηξη ή η υβριδική σύνδεση - οι κρίσιμοι παράγοντες της ολοκλήρωσης 3D IC - δεν θα ήταν βιώσιμες σε κλίμακα παραγωγής. Εξετάζοντας την εφαρμογή 3D IC για συγκόλληση γκοφρέτας τσοκ ζεστού κενού, μπορούμε να δούμε πώς η μηχανική κατεργασία ακριβείας και τα εξελιγμένα υλικά συνδυάζονται για να επιτρέψουν τη συσκευασία ημιαγωγών επόμενης γενιάς.

Ο ρόλος του θερμαινόμενου τσοκ κενού στη συγκόλληση γκοφρέτας
Η ενσωμάτωση τρισδιάστατου IC περιλαμβάνει τη συγκόλληση πολλών πλακών λεπτής σιλικόνης (ή μήκους-σε-στοίβες γκοφρετών) σε μια ενιαία συσκευή με κάθετες διασυνδέσεις. Δύο μέθοδοι συγκόλλησης χρησιμοποιούνται κυρίως:

Άμεση συγκόλληση: Δύο καθαρές, επίπεδες γκοφρέτες πυριτίου συνδέονται μεταξύ τους σε αυξημένη θερμοκρασία (συνήθως 200–400 μοίρες) χωρίς καμία ενδιάμεση κόλλα. Οι δυνάμεις Van der Waals ξεκινούν τη σύνδεση, ακολουθούμενη από ανόπτηση για τη δημιουργία ομοιοπολικών συνδέσμων Si–Si ή SiO2–SiO2.

Υβριδική συγκόλληση: Έκδοση που χρησιμοποιεί συγκόλληση διηλεκτρικού-σε-διηλεκτρικού (SiO 2 ) και μετάλλου-με-μετάλλου (συχνά χαλκού) σε μία φάση για να επιτυγχάνονται ταυτόχρονα μηχανική σύνδεση και ηλεκτρικές διασυνδέσεις. Αυτό απαιτεί ακόμα καλύτερη ομοιογένεια θερμοκρασίας και επιπεδότητας.

Και στις δύο περιπτώσεις η γκοφρέτα πυθμένα τοποθετείται σε θερμαινόμενο τσοκ κενού. Το τσοκ πρέπει να παρέχει:

Πολύ επίπεδη (σφαιρική στρέβλωση < 1–2 μm σε μια γκοφρέτα 300 mm)

Ομοιόμορφη θέρμανση (διακύμανση θερμοκρασίας < ±0,5ºC σε ολόκληρη την περιοχή)

Αξιόπιστο κράτημα κενού, μηδενικά σωματίδια που δημιουργούνται

Καθαρό, συμβατό με υψηλή υποπίεση

Υλικά: Νιτρίδιο αλουμινίου, τσοκ καρβιδίου πυριτίου
Κανονικά το σώμα του τσοκ κατασκευάζεται από-τεχνικό κεραμικό υψηλής απόδοσης. Στο πεδίο κυριαρχούν δύο υλικά:

Νιτρίδιο αργιλίου (AlN) – Συχνά προτιμάται καθώς ο συντελεστής θερμικής διαστολής του (CTE) είναι πολύ κοντά σε αυτόν του πυριτίου (AlN: ~4,5 x 10-6/ βαθμός, Si: ~2,6 x 10-6/ βαθμός). Η στενή αντιστοίχιση CTE μειώνει τη θερμική καταπόνηση κατά τη διάρκεια των κύκλων θέρμανσης και ψύξης, γεγονός που μειώνει τη στρέβλωση του πλακιδίου και αποτρέπει τη ζημιά στη διεπαφή σύνδεσης. Το AlN έχει επίσης υψηλή θερμική αγωγιμότητα 140-180 W/m·K, επιτρέποντας γρήγορη και ομοιόμορφη μετάδοση θερμότητας από τις εμφυτευμένες θερμάστρες στη γκοφρέτα.

Καρβίδιο του πυριτίου (SiC) - Για εφαρμογές ακόμη υψηλότερης θερμοκρασίας (έως 500–600 βαθμούς ) ή όταν απαιτείται μεγάλη ακαμψία. Το SiC έχει κάπως υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα (200–250 W/m·K), αλλά χαμηλότερο CTE (περίπου 4,0 × 10−6 / βαθμός) που ωστόσο δίνει μια λογική αντιστοιχία με το πυρίτιο. Το SiC είναι πιο σκληρό και πιο ανθεκτικό στη φθορά από το AlN, αλλά είναι επίσης πιο δύσκολο στην επεξεργασία και πιο δαπανηρό.

Και τα δύο υλικά είναι επίσης καλοί ηλεκτρικοί μονωτές, εξαλείφοντας κάθε ρεύμα διαρροής που θα μπορούσε να βλάψει τα ευαίσθητα κυκλώματα στη γκοφρέτα ή να επηρεάσει τους αισθητήρες ευθυγράμμισης.

Μοτίβο αντίστασης ενσωματωμένο για εσωτερικό σύστημα θέρμανσης
Οι εσωτερικοί θερμαντήρες αντίστασης με σχέδιο περιλαμβάνονται απευθείας στο κεραμικό τσοκ για ομοιόμορφη θέρμανση. Κατά την κατασκευή, ένα λεπτό φιλμ ή ίχνος παχιάς μεμβράνης από μέταλλο υψηλής θερμοκρασίας (συχνά μολυβδαίνιο (Mo) ή πλατίνα (Pt)) εκτυπώνεται ή διασκορπίζεται σε ένα στρώμα κεραμικού υποστρώματος. Στη συνέχεια προσαρμόζεται ένα δεύτερο κεραμικό στρώμα ή συν-πυροδοτείται πάνω από το ίχνος που καλύπτει τη θερμάστρα.

Το μοτίβο του θερμαντήρα είναι προσεκτικά κατασκευασμένο (συνήθως μια σπείρα πολλαπλών-ζωνών ή ομόκεντροι δακτύλιοι) για να αντισταθμίσει τις απώλειες θερμότητας στην άκρη και στο κέντρο του τσοκ. Κάθε ζώνη είναι ελεγχόμενη ανεξάρτητα, επιτρέποντάς σας να ρυθμίσετε με ακρίβεια το προφίλ θερμοκρασίας-. Η προκύπτουσα ομοιογένεια θερμοκρασίας σε μια διάμετρο 300 mm διατηρείται συχνά σε ±0,5 μοίρες ή καλύτερα-κρίσιμη για υβριδική συγκόλληση όπου τα χάλκινα μαξιλάρια πρέπει να ευθυγραμμίζονται σε απόσταση δεκάδων νανόμετρων μετά τη θερμική διαστολή.

Τα τσοκ που μπορούν να θερμανθούν στους 400 βαθμούς είναι εξοπλισμένα με θερμάστρες πλατίνας. Η πλατίνα είναι ανθεκτική στην οξείδωση και έχει σταθερή αντίσταση σε υψηλές θερμοκρασίες. Το μολυβδαίνιο είναι εξαιρετικό για εργασίες κενού ή αδρανούς περιβάλλοντος έως περίπου 350 μοίρες.

Αύλακες κενού: Ακριβές κρατήστε πατημένο-
Ένα δίκτυο ρηχών αυλακώσεων χρησιμοποιείται για την εφαρμογή κενού για να συγκρατεί τη γκοφρέτα επίπεδη πάνω στην επιφάνεια του τσοκ. Συνήθως, αυτές οι αυλακώσεις κόβονται με λέιζερ στην κεραμική επιφάνεια βάθους μόνο λίγων μικρομέτρων (π.χ. 5–15 μm) και πλάτους 200–500 μm. Η κατεργασία με λέιζερ επιτρέπει την απόκτηση άκρων με ακρίβεια και{8}}χωρίς γρέζια, κάτι που αποτελεί βασικό σημείο για την αποφυγή παραγωγής σωματιδίων.

Η διάταξη των αυλακώσεων είναι προσαρμοσμένη ώστε να επιτυγχάνεται ομοιόμορφη αναρρόφηση σε ολόκληρη την πίσω πλευρά της γκοφρέτας, ενώ το μεγαλύτερο μέρος της επιφάνειας παραμένει σε άμεση επαφή με το τσοκ για αποτελεσματική μεταφορά θερμότητας. Τα κοινά μοτίβα περιλαμβάνουν:

Ακτινικά κανάλια που οδηγούν από μια κεντρική θύρα κενού

Ομόκεντροι δακτύλιοι ενωμένοι με ακτινωτές ακτίνες

Συστοιχίες πλέγματος ή συστοιχίες κηρήθρας για πολύ λεπτές ή πολύ παραμορφωμένες γκοφρέτες

Τα επίπεδα κενού παρακολουθούνται προσεκτικά - πολύ λίγη αναρρόφηση και η γκοφρέτα μπορεί να ανέβει ή να υποκλιθεί. πάρα πολύ και η γκοφρέτα μπορεί να παραμορφωθεί τοπικά ή οι αυλακώσεις κενού μπορεί να αφήσουν σημάδια στην πίσω πλευρά της γκοφρέτας (ένα ελάττωμα που ονομάζεται "σημάδι τσοκ κενού").

Υψηλές απαιτήσεις κενού και καθαριότητας
Ολόκληρο το συγκρότημα τσοκ βρίσκεται σε έναν θάλαμο συγκόλλησης υψηλού-κενού που είναι εξαιρετικά-καθαρός Για να αποφευχθεί η οξείδωση των επιφανειών συγκόλλησης και να αφαιρεθούν οι παγιδευμένοι θύλακες αερίου στη διεπαφή δεσμού, εφαρμόζονται συνήθως πιέσεις από 10-5 έως 10-7 mbar.

Καμία δημιουργία σωματιδίων. Οποιοδήποτε σωματίδιο μεγαλύτερο από μερικά νανόμετρα στην επιφάνεια του τσοκ ή προστίθεται κατά τον χειρισμό θα δημιουργήσει ένα κενό στην επαφή σύνδεσης. Τέτοια κενά οδηγούν σε μηχανική αδυναμία, ηλεκτρικά ανοιχτά κυκλώματα (σε υβριδική σύνδεση) και απώλεια απόδοσης. Επομένως, το τσοκ κατασκευάζεται σε περιβάλλον καθαρού δωματίου Κατηγορίας 1 (ISO 3) με όλα τα υλικά να επιλέγονται για την ανθεκτικότητά τους στην εξάτμιση αερίων και τη φθορά. Τα κεραμικά τσοκ καθαρίζονται συχνά χρησιμοποιώντας διαδικασίες μεγαηχητικού ή εκτοξευτήρα χιονιού CO2.

Σημείωση Ακρίβειας: Η σημασία της επιφανειακής μόλυνσης
Η επιφάνεια του τσοκ πρέπει να στερείται σωματιδίων μεγαλύτερα από μερικά νανόμετρα, τα οποία θα σχημάτιζαν ένα κενό στην επαφή σύνδεσης. Ακόμη και ένα μεμονωμένο σωματίδιο 50 nm μπορεί τοπικά να ανυψώσει δύο πλακίδια και να εμποδίσει τη σύνδεση σε μια περιοχή πλάτους εκατοντάδων μικρομέτρων. Ένα τέτοιο ελάττωμα, που ονομάζεται "κενό δεσμού", μπορεί να ανιχνευθεί με ακουστική μικροσκοπία σάρωσης και καθιστά τη μήτρα ή τη σύνδεση άχρηστη. Τα θερμαινόμενα τσοκ κενού ελέγχονται τακτικά με αυτόματη μέτρηση οπτικών σωματιδίων και ο χειρισμός τους γίνεται μόνο υπό εξαιρετικά-καθαρές συνθήκες για αυτόν τον λόγο.

Ενσωμάτωση με εργαλεία ευθυγράμμισης και συγκόλλησης
Το θερμαινόμενο τσοκ κενού είναι ενσωματωμένο σε ένα εργαλείο συγκόλλησης γκοφρέτας που συνήθως περιλαμβάνει:

Επάνω τσοκ (μερικές φορές παθητικό ή επίσης θερμαινόμενο) για να συγκρατεί την επάνω γκοφρέτα

Στάδιο ευθυγράμμισης με χρήση πιεζοηλεκτρικών ενεργοποιητών για ευθυγράμμιση πλακιδίων-σε-wafer κάτω από 50 nm.

Μηχανισμός πίεσης για την εφαρμογή δύναμης συγκόλλησης (συνήθως 10–100 kN σε μια γκοφρέτα 300 mm)

Οπτικές ή υπέρυθρες κάμερες για ανίχνευση σημαδιών ευθυγράμμισης μέσω πλακιδίων

Η κάτω γκοφρέτα τοποθετείται στο θερμαινόμενο τσοκ, παρέχεται κενό και το τσοκ θερμαίνεται στη θερμοκρασία στόχο (π.χ. 300 βαθμούς για υβριδική συγκόλληση) κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης. Η επάνω γκοφρέτα είναι ευθυγραμμισμένη και έρχεται σε επαφή. Η συγκόλληση διαδίδεται ως κύμα από το κέντρο προς τα έξω. Στη συνέχεια, το τσοκ ψύχεται υπό ρυθμισμένες συνθήκες για να μειωθεί η υπολειπόμενη τάση μετά τη συγκόλληση.

Συμπεράσματα: Θερμική και μηχανική βάση τρισδιάστατης ολοκλήρωσης
Το θερμαινόμενο τσοκ κενού είναι ένας θρίαμβος της μηχανικής θερμικής, μηχανικής και υλικών, που επιτρέπει στα τσιπ να στοιβάζονται κάθετα για να τροφοδοτούν τα πιο ισχυρά συστήματα τεχνητής νοημοσύνης και-υπολογιστικών συστημάτων υψηλής απόδοσης. Προσφέρει υψηλή επιπεδότητα, ομοιογενή θέρμανση έως και 400 μοίρες και καθαρή επιφάνεια χωρίς σωματίδια-μετατρέποντας τις απλές γκοφρέτες σιλικόνης σε μία τρισδιάστατη συσκευή πολλαπλών χρήσεων. Η επιπεδότητα μιας μόνο κεραμικής πλάκας, μετρημένη σε νανόμετρα σε εύρος 300 mm, μπορεί τελικά να καθορίσει την απόδοση ενός υπερυπολογιστή. Καθώς η ενσωμάτωση 3D IC πηγαίνει σε όλο και περισσότερα στρώματα και πιο λεπτές βαθμίδες σύνδεσης, το θερμαινόμενο τσοκ κενού θα παραμείνει ένα απαραίτητο εργαλείο, επιτρέποντας αθόρυβα την τρίτη διάσταση του πυριτίου.