Καθώς τα κέντρα δεδομένων AI, τα ασύρματα συστήματα 6G, οι δορυφορικές επικοινωνίες και το ραντάρ υψηλής ανάλυσης κινούνται προς υψηλότερες συχνότητες και εύρη ζώνης, το συμβατικό CMOS πυριτίου ωθείται πιο κοντά στα όρια απόδοσης.

Το φωσφίδιο του ινδίου, το αρσενίδιο του γαλλίου και το νιτρίδιο του γαλλίου μπορούν να παρέχουν υψηλότερο κέρδος, ισχύ εξόδου, συχνότητα λειτουργίας ή απόδοση ισχύος από το πυρίτιο σε κρίσιμες για την απόδοση λειτουργίες. Ωστόσο, η κατασκευή ενός ολόκληρου συστήματος μεγάλης περιοχής από υλικά ημιαγωγών III-V είναι δαπανηρή και δύσκολη στην κλίμακα.

Η ενσωμάτωση chiplet III-V προσφέρει μια πιο πρακτική προσέγγιση. Οι μικρές μήτρες InP, GaAs ή GaN μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο όταν οι ιδιότητες των υλικών τους παρέχουν ένα μετρήσιμο πλεονέκτημα, ενώΠρομήθειες παρεμβολής πυριτίου 300 mmΔιασυνδέσεις υψηλής πυκνότητας, παθητικά εξαρτήματα, διόδους πυριτίου και συνδέσεις σε συσκευές CMOS.

Αυτή η αρχιτεκτονική συνδυάζει την ηλεκτρική απόδοση των υλικών III-V με την κλίμακα κατασκευής και την πυκνότητα δρομολόγησης της τεχνολογίας πυριτίου. Η επιτυχία του, ωστόσο, εξαρτάται από πολλά περισσότερα από την τοποθέτηση διαφορετικών καλουπιών στο ίδιο υπόστρωμα.

Το πάχος του τσιπετ, η ομοεπίπεδη επιφάνεια συγκόλλησης, η επιπεδότητα της επιφάνειας, το τόξο παρεμβολής, η ακρίβεια ευθυγράμμισης, η θερμική διαστολή και η αφαίρεση θερμότητας επηρεάζουν την απόδοση και την αξιοπιστία της τελικής συσκευασίας.

Γιατί να ενσωματώσουμε τα τσιπετς III-V στο πυρίτιο;

Το Silicon CMOS προσφέρει ώριμη κατασκευή 200 mm και 300 mm, υψηλή πυκνότητα τρανζίστορ και σχετικά χαμηλό κόστος παραγωγής. Είναι εξαιρετικά αποτελεσματικό για ψηφιακή λογική, έλεγχο, βαθμονόμηση, επεξεργασία σήματος και πολλές λειτουργίες μικτού σήματος.

Σε συχνότητες κυμάτων χιλιοστών και υποτεράχερτς, το πυρίτιο μπορεί να μην παρέχει τον απαιτούμενο συνδυασμό απολαβής, ισχύος εξόδου, απόδοσης θορύβου και απόδοσης για κάθε μέρος του συστήματος.

Τα υλικά III-V γεμίζουν αυτά τα κενά απόδοσης.

Αντί να επιχειρήσετε να κατασκευάσετε λογική, ενισχυτές ραδιοσυχνοτήτων, διακόπτες, οπτικούς οδηγούς και παθητικά εξαρτήματα σε ένα υλικό, κάθε λειτουργία μπορεί να εκχωρηθεί στην πιο κατάλληλη τεχνολογία.

Ένα τυπικό ετερογενές σύστημα μπορεί να συνδυάζει:

• Silicon CMOS για έλεγχο και ψηφιακή επεξεργασία
• BiCMOS πυριτίου-γερμανίου για λειτουργίες μικτού σήματος υψηλής ταχύτητας
• InP chiplet για ενίσχυση εξαιρετικά υψηλής συχνότητας
• Τσιλετ GaAs για ώριμες λειτουργίες μικροκυμάτων και κυμάτων χιλιοστών
• Chiplet GaN για ενίσχυση RF υψηλής ισχύος
• Φωτονική πυριτίου για οπτική μετάδοση δεδομένων
• Ένας παρεμβολέας πυριτίου για δρομολόγηση, παθητικά και ενοποίηση συστήματος

Αυτός ο λειτουργικός διαχωρισμός μπορεί να μειώσει την ποσότητα του ακριβού υλικού III-V που απαιτείται, ενώ επιτρέπει σε κάθε chiplet να κατασκευαστεί με μια βελτιστοποιημένη διαδικασία.

Ρόλοι των τσιπετών InP, GaAs και GaN

InP Chiplets

Το φωσφίδιο του ινδίου είναι ιδιαίτερα ελκυστικό για κυκλώματα που λειτουργούν πάνω από 100 GHz. Τα διπολικά τρανζίστορ ετεροζεύξης InP και τα τρανζίστορ υψηλής κινητικότητας ηλεκτρονίων μπορούν να παρέχουν υψηλή ταχύτητα φορέα, ισχυρό κέρδος και απόδοση χαμηλού θορύβου σε εξαιρετικά υψηλές συχνότητες.

Οι πιθανές λειτουργίες του chiplet InP περιλαμβάνουν:

• Ενισχυτές ισχύος κυμάτων χιλιοστών και υποτεράχερτζ
• Ενισχυτές χαμηλού θορύβου
• Προγράμματα οδήγησης οπτικού διαμορφωτή
• Ενισχυτές διαπερατότητας
• Φωτοανιχνευτές υψηλής ταχύτητας
• 6G μπροστινά κυκλώματα
• Εξαρτήματα οπτικής διασύνδεσης κέντρου δεδομένων

Η πρόκληση είναι ότι οι γκοφρέτες InP είναι μικρότερες, πιο εύθραυστες και ακριβότερες από τις γκοφρέτες πυριτίου. Η μετατροπή μιας ολοκληρωμένης γκοφρέτας InP σε μικρά λειτουργικά chiplets επιτρέπει την αποτελεσματικότερη χρήση του διαθέσιμου υλικού.

GaAs Chiplets

Το αρσενίδιο του γαλλίου έχει ένα καθιερωμένο οικοσύστημα παραγωγής για συσκευές μικροκυμάτων και ραδιοσυχνοτήτων. Οι τεχνολογίες GaAs pHEMT και HBT χρησιμοποιούνται ευρέως όπου απαιτείται απόδοση υψηλής συχνότητας, χαμηλός θόρυβος και αξιόπιστη ενίσχυση ισχύος.

Τα chiplet GaAs μπορούν να υποστηρίξουν:

• Ενισχυτές ισχύος μικροκυμάτων
• Μπροστινά άκρα με συστοιχία φάσεων
• Μονάδες εκπομπής και λήψης ραντάρ
• Δορυφορικά κυκλώματα επικοινωνίας
• Διακόπτες RF
• Ενισχυτές χαμηλού θορύβου
• Συστήματα αισθητήρων υψηλής συχνότητας

Το GaAs καταλαμβάνει γενικά μια θέση απόδοσης και κόστους μεταξύ τεχνολογιών RF που βασίζονται σε πυρίτιο και πιο εξειδικευμένων συσκευών InP ή GaN.

GaN Chiplets

Το νιτρίδιο του γαλλίου συνδυάζει υψηλό πεδίο διάσπασης, υψηλή πυκνότητα ισχύος και ισχυρή απόδοση υψηλής συχνότητας. Είναι ιδιαίτερα πολύτιμο για ενισχυτές ισχύος RF που πρέπει να παρέχουν υψηλή ισχύ εξόδου υπό απαιτητικές συνθήκες λειτουργίας.

Τα chiplet GaN μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε:

• Ενισχυτές ραδιοσυχνοτήτων υψηλής ισχύος
• Σταθμοί βάσης 5G και 6G
• Ραντάρ με συστοιχία φάσεων
• Δορυφορικοί πομποί επικοινωνίας
• Συστήματα ηλεκτρονικού πολέμου
• Μετατροπή ισχύος υψηλής συχνότητας
• Κέντρα δεδομένων κυκλώματα παροχής ισχύος

Τα chiplet GaN παράγουν συγκεντρωμένη θερμότητα και απαιτούν προσεκτικό θερμικό σχεδιασμό. Η επιλογή υποστρώματος, το πάχος της μήτρας, η επιμετάλλωση στο πίσω μέρος και η δομή προσάρτησης μήτρας επηρεάζουν έντονα την επιτεύξιμη ισχύ εξόδου και τη μακροπρόθεσμη αξιοπιστία.

Τι είναι ένας παρεμβολέας πυριτίου RF 300 mm;

Ένας παρεμβολέας πυριτίου είναι ένα ενδιάμεσο υπόστρωμα που τοποθετείται μεταξύ ενεργών chiplets και του υποστρώματος συσκευασίας ή της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος.

Σε αντίθεση με έναν βασικό μηχανικό φορέα, ένας παρεμβολέας πυριτίου RF μπορεί να περιέχει λειτουργικές ηλεκτρικές δομές όπως:

• Στρώματα ανακατανομής λεπτού βήματος
• Μέσω πυριτίου
• Αεροπλάνα εδάφους
• Γραμμές μετάδοσης ελεγχόμενης αντίστασης
• Επαγωγείς
• Αντιστάσεις
• Πυκνωτές μετάλλου-μονωτικού-μεταλλικού
• Δίκτυα διανομής ενέργειας
• Κατασκευές θωράκισης RF
• Ψηφιακές διασυνδέσεις υψηλής πυκνότητας

Η χρήση μιας πλατφόρμας πυριτίου 300 mm επιτρέπει την κατασκευή αυτών των χαρακτηριστικών με εξοπλισμό και διαδικασίες που προέρχονται από προηγμένα εργοστάσια ημιαγωγών.

Ένας παρεμβολέας ραδιοσυχνοτήτων πρέπει να ελέγχει την απώλεια και την παρασιτική συμπεριφορά σε συχνότητες όπου ακόμη και μια σύντομη σύνδεση μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την απόδοση του συστήματος. Το πλάτος της γραμμής, το πάχος του αγωγού, οι διηλεκτρικές ιδιότητες, η τραχύτητα της επιφάνειας, οι διαδρομές επιστροφής και οι μεταβάσεις μεταξύ των στρωμάτων πρέπει να λαμβάνονται υπόψη.

Οι πρόσφατες εξελίξεις των παρεμβολέων ραδιοσυχνοτήτων 300 mm έδειξαν ότι η λειτουργία εκτείνεται στα 325 GHz και η ενσωμάτωση chiplet InP με πολύ χαμηλή απώλεια εισαγωγής. Αυτό δείχνει ότι οι παρεμβολείς πυριτίου μπορούν να λειτουργήσουν ως ενεργές πλατφόρμες ενοποίησης σε επίπεδο συστήματος και όχι μόνο ως φορείς παθητικού τσιπ.

Πλεονεκτήματα της μετακίνησης παθητικών εξαρτημάτων στον παρεμβολέα

Η περιοχή γκοφρέτας III-V είναι ακριβή. Η χρήση του για μεγάλα πηνία, πυκνωτές ή άλλα παθητικά εξαρτήματα μπορεί να αυξήσει το μέγεθος του τσιπ χωρίς να εκμεταλλευτείτε τα κύρια πλεονεκτήματα του υλικού.

Η μετακίνηση επιλεγμένων παθητικών συναρτήσεων στον παρεμβολέα πυριτίου μπορεί:

• Μειώστε την περιοχή των chiplet III-V
• Χαμηλότερο κόστος υλικού
• Βελτιώστε τη σχεδίαση διανομής ισχύος
• Συντομεύστε τις διασυνδέσεις
• Μειώστε το αποτύπωμα του πακέτου
• Αύξηση της ολοκλήρωσης του συστήματος
• Βελτιώστε την κατάτμηση στοιχείων
• Επιτρέψτε την ανεξάρτητη βελτιστοποίηση ενεργών και παθητικών συσκευών

Οι ενσωματωμένοι πυκνωτές υψηλής πυκνότητας είναι ιδιαίτερα σημαντικοί για την τοπική παροχή ισχύος και αποσύνδεση. Πρόσφατη έρευνα σε παρεμβολείς πυριτίου ραδιοσυχνοτήτων 300 mm ανέφερε βελτιώσεις στην πυκνότητα χωρητικότητας περίπου 10 έως 100 φορές σε σύγκριση με τους συμβατικούς πυκνωτές που ενσωματώνονται απευθείας σε ορισμένες διαδικασίες III-V.

Επομένως, ο παρεμβολέας γίνεται μέρος του ηλεκτρικού σχεδιασμού παρά ένα ουδέτερο υπόστρωμα.

III-V Μέθοδοι συγκόλλησης Chiplet

Διάφορες προσεγγίσεις συγκόλλησης μπορούν να εξεταστούν για την προσάρτηση των chiplet III-V σε παρεμβολείς πυριτίου.

Συγκόλληση Θερμοσυμπίεσης

Η συγκόλληση θερμοσυμπίεσης εφαρμόζει ελεγχόμενη θερμότητα και πίεση για να σχηματίσει ηλεκτρικές και μηχανικές συνδέσεις μεταξύ μεταλλικών μαξιλαριών ή μικροπροβολών.

Οι πιθανές μεταλλουργίες περιλαμβάνουν:

• Χαλκός σε χαλκό
• Χρυσό σε χρυσό
• Χρυσός-κασσίτερος
• Χάλκινο με συγκολλητικά καπάκια
• Άλλα μικροπροβλήματα με βάση συγκόλληση

Η μέθοδος μπορεί να παρέχει ισχυρούς δεσμούς και λεπτό βήμα διασύνδεσης, αλλά ο πλήρης κύκλος θερμοκρασίας και πίεσης πρέπει να είναι συμβατός με τη μήτρα III-V και τη στοίβα παρεμβολής.

Συγκόλληση συγκόλλησης Flip-Chip

Η συγκόλληση με πτερύγια με μικροπροεξοχές συγκόλλησης είναι σχετικά ώριμη και μπορεί να φιλοξενήσει κάποια διακύμανση του ύψους της επιφάνειας μέσω της επαναροής συγκόλλησης.

Ωστόσο, οι διαστάσεις των αρμών συγκόλλησης, ο διαμεταλλικός σχηματισμός, τα υπολείμματα ροής και η συμπεριφορά υπογεμίσματος πρέπει να ελέγχονται. Σε πολύ υψηλές συχνότητες, η γεωμετρία συγκόλλησης συμβάλλει επίσης στην ασυνέχεια επαγωγής και σύνθετης αντίστασης διασύνδεσης.

Άμεση συγκόλληση μετάλλων

Η απευθείας σύνδεση χαλκού ή χρυσού μπορεί να υποστηρίξει λεπτότερο βήμα διασύνδεσης και μικρότερες ηλεκτρικές διαδρομές. Απαιτεί εξαιρετικά καθαρές, λείες και ομοεπίπεδες επιφάνειες.

Τα σωματίδια, τα στρώματα οξειδίων και η τοπική τοπογραφία μπορούν να αποτρέψουν την πλήρη επαφή και να δημιουργήσουν ηλεκτρικά ανοικτές ή μηχανικά αδύναμες αρθρώσεις.

Υβριδική συγκόλληση

Η υβριδική συγκόλληση ενώνει ταυτόχρονα μεταλλικές διασυνδέσεις και γύρω διηλεκτρικές επιφάνειες. Μπορεί να πετύχει πολύ λεπτό βήμα, αλλά απαιτεί αυστηρό έλεγχο της επιπεδότητας, της καθαριότητας και της ευθυγράμμισης της επιφάνειας.

Η διαδικασία είναι ελκυστική για ενσωμάτωση υψηλής πυκνότητας, αν και τα διαφορετικά υλικά και οι μηχανικές ιδιότητες των chiplet III-V απαιτούν προσεκτική ανάπτυξη της διαδικασίας.

Συγκόλληση με υποβοήθηση λέιζερ

Η συγκόλληση με τη βοήθεια λέιζερ παρέχει εντοπισμένη θερμότητα στη διεπαφή συγκόλλησης αντί να θερμαίνει ολόκληρη τη στοίβα γκοφρέτας και συσκευασίας στην ίδια θερμοκρασία.

Τα πιθανά πλεονεκτήματα περιλαμβάνουν:

• Συντομότεροι κύκλοι συγκόλλησης
• Μειωμένη συνολική θερμική έκθεση
• Προστασία ευαίσθητων στη θερμοκρασία στρωμάτων παρεμβολής
• Τοπική επεξεργασία
• Μειωμένη θερμική καταπόνηση σε επίπεδο γκοφρέτας
• Συμβατότητα με παρεμβολείς πλούσιους σε παθητικά

Το 2026, η imec ανέφερε τη συγκόλληση των chiplet III-V με τη βοήθεια λέιζερ σε έναν παρεμβολέα πυριτίου 300 mm RF με ακρίβεια ευθυγράμμισης κάτω από 600 nm και περιστροφική κακή ευθυγράμμιση κάτω από 0,05 μοίρες σε 43 συσκευές. Οι μετρήσεις ραδιοσυχνοτήτων έδειξαν ότι η απόδοση διατηρήθηκε μετά τη συναρμολόγηση.

Αυτά τα αποτελέσματα καταδεικνύουν τη δυνατότητα τοπικής συγκόλλησης, αν και η πιστοποίηση της παραγωγής εξακολουθεί να απαιτεί εκτεταμένη αξιοπιστία, απόδοση και αξιολόγηση απόδοσης.

Γιατί έχει σημασία η επιπεδότητα της επιφάνειας

Η συγκόλληση τσιπ λεπτού βήματος απαιτεί ομοιόμορφη επαφή των επιφανειών ζευγαρώματος. Εάν το chiplet ή ο παρεμβολέας δεν είναι επαρκώς επίπεδα, ορισμένες συνδέσεις μπορεί να συνδεθούν σωστά ενώ άλλες παραμένουν ανοιχτές ή αντιμετωπίζουν ανεπαρκή πίεση.

Οι κρίσιμες γεωμετρικές παράμετροι περιλαμβάνουν:

• Συνολική διακύμανση πάχους
• Τοπική διακύμανση πάχους
• Γκοφρέτα φιόγκο
• Στημόνι γκοφρέτας
• Die coplanarity
• Ομοιομορφία ύψους-χτυπήματος
• Είσοδος ή προεξοχή του μαξιλαριού σύνδεσης
• Κυματισμός επιφάνειας
• Εξαίρεση άκρων

Το παγκόσμιο τόξο γκοφρέτας περιγράφει τη συνολική καμπυλότητα του παρεμβολέα 300 mm. Η τοπική επιπεδότητα περιγράφει μικρότερες παραλλαγές εντός της περιοχής που καταλαμβάνει ένα μεμονωμένο chiplet.

Και τα δύο έχουν σημασία.

Μια γκοφρέτα μπορεί να ικανοποιεί μια παγκόσμια προδιαγραφή τόξου, αλλά εξακολουθεί να περιέχει τοπική τοπογραφία που παρεμβαίνει σε μια μικρή μήτρα III-V. Αντίθετα, μια τοπικά επίπεδη θέση συγκόλλησης μπορεί να είναι ακόμα δύσκολη στην επεξεργασία εάν το πλήρες πλακίδιο δεν μπορεί να συγκρατηθεί ομοιόμορφα στο τσοκ συγκόλλησης.

Πηγές Interposer Bow and Warp

Το τόξο και το στημόνι μπορούν να δημιουργηθούν από διάφορα μέρη της διαδικασίας κατασκευής παρεμβολέα:

• Καταπόνηση διηλεκτρικού στρώματος
• Παχιά στρώματα ανακατανομής χαλκού
• Ανώμαλη πυκνότητα μετάλλου
• Μέσω επεξεργασίας πυριτίου
• Αραίωμα γκοφρέτας
• Πολυμερής σκλήρυνση
• Ενσωματωμένα παθητικά στοιχεία
• Αναντιστοιχία θερμικής διαστολής
• Προσωρινή συγκόλληση και αποκόλληση
• Επιμετάλλωση στο πίσω μέρος

Η πυκνότητα του μετάλλου πρέπει να κατανέμεται όσο το δυνατόν πιο ομοιόμορφα. Μια μεγάλη περιοχή πλούσια σε χαλκό στη μία πλευρά του παρεμβολέα και μια περιοχή με χαμηλό μέταλλο στην άλλη μπορεί να προκαλέσει ανομοιόμορφη πίεση και τοπική παραμόρφωση.

Το τόξο της γκοφρέτας πρέπει να μετράται σε διάφορα στάδια, συμπεριλαμβανομένης της επεξεργασίας του στρώματος ανακατανομής, μετά την επιμετάλλωση, μετά την αραίωση και μετά τον τελικό θερμικό κύκλο.

Πάχος Chiplet και Προετοιμασία πίσω πλευράς

Τα chiplet III-V συχνά αραιώνονται για να μειώσουν το μήκος της ηλεκτρικής διαδρομής, να βελτιώσουν τη θερμική απόδοση ή να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις ύψους συσκευασίας.

Ωστόσο, τα λεπτά μήτρα InP και GaAs μπορεί να είναι εύθραυστα. Η ζημιά στο τρόχισμα, το θρυμματισμό των άκρων και η υπολειπόμενη καταπόνηση μπορεί να μειώσουν την αντοχή της μήτρας κατά την τοποθέτηση και τη συγκόλληση.

Σημαντικές παράμετροι chiplet περιλαμβάνουν:

• Τελικό πάχος μήτρας
• Ανοχή πάχους
• Τραχύτητα στο πίσω μέρος
• Παραλληλισμός εμπρός-πίσω
• Ποιότητα άκρης
• Όρια τσιπ
• Επιμετάλλωση στο πίσω μέρος
• Πέθανε δύναμη
• Γνωστή κατάσταση δοκιμής καλής ποιότητας

Η λείανση στο πίσω μέρος θα πρέπει κανονικά να ακολουθείται από μια διαδικασία ανακούφισης του στρες. Ανάλογα με το υλικό και την εφαρμογή, αυτό μπορεί να περιλαμβάνει στίλβωση, ξηρή χάραξη, υγρή χάραξη ή επεξεργασία με πλάσμα.

Μια λεία πίσω πλευρά μπορεί να βελτιώσει την πρόσφυση του μετάλλου και την επαφή με τη θερμική διεπαφή, ενώ η υπερβολική τραχύτητα ή μόλυνση μπορεί να αυξήσει τη θερμική αντίσταση.

Ακρίβεια ευθυγράμμισης σε λεπτό βήμα διασύνδεσης

Η ευθυγράμμιση γίνεται πιο δύσκολη καθώς συρρικνώνονται οι διαστάσεις του ύψους και του μαξιλαριού. Το σύστημα συγκόλλησης πρέπει να αντισταθμίζει:

• Ανοχή διαστάσεων Chiplet
• Παραμόρφωση παρεμβολέα
• Θερμική διαστολή κατά τη συγκόλληση
• Βαθμονόμηση τοποθέτησης-εργαλείου
• Κίνηση σταδίου γκοφρέτας
• Περιστροφή μήτρας
• Ακρίβεια οπτικού σήματος

Τα σημάδια ευθυγράμμισης θα πρέπει να παραμένουν ορατά μετά από προηγούμενα βήματα επεξεργασίας και θα πρέπει να τοποθετούνται έτσι ώστε να αντιπροσωπεύουν με ακρίβεια την τοπική περιοχή συγκόλλησης.

Για συσκευές ραδιοσυχνοτήτων, η κακή ευθυγράμμιση κάνει περισσότερα από το να δημιουργεί τον κίνδυνο μιας ανοιχτής σύνδεσης. Μπορεί επίσης να αλλάξει τη γεωμετρία της διασύνδεσης και να εισάγει παρασιτικές ασυνέχειες χωρητικότητας, επαγωγής ή σύνθετης αντίστασης.

Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό σε συχνότητες κυμάτων χιλιοστών και υποτεράχερτζ.

Τραχύτητα και Καθαριότητα Επιφάνειας

Η άμεση συγκόλληση μετάλλων και υβριδίων απαιτούν πολύ λείες επιφάνειες. Τοπικά σωματίδια ή προεξοχές μπορούν να εμποδίσουν τη συγκόλληση της γύρω περιοχής.

Οι πηγές μόλυνσης περιλαμβάνουν:

• Υπολείμματα κοπής σε κύβους
• Υπόλειμμα φωτοανθεκτικού
• Φυσικό οξείδιο μετάλλου
• Οργανική μόλυνση
• Χειρισμός σωματιδίων
• Συντρίμμια λείανσης στο πίσω μέρος
• Χημικά καθαρισμού
• Υλικά συσκευασίας

Η προετοιμασία της επιφάνειας μπορεί να περιλαμβάνει υγρό καθαρισμό, ενεργοποίηση πλάσματος, αφαίρεση οξειδίων και ελεγχόμενο στέγνωμα.

Η διαδικασία πρέπει να αφαιρεί τη μόλυνση χωρίς να καταστρέφονται λεπτά μεταλλικά μαξιλαράκια, διηλεκτρικά στρώματα ή εκτεθειμένες επιφάνειες III-V.

Η επιθεώρηση σωματιδίων θα πρέπει να καλύπτει τόσο τον παρεμβολέα όσο και μεμονωμένα chiplet. Μια καθαρή γκοφρέτα παρεμβολής δεν μπορεί να αντισταθμίσει τις μολυσμένες μήτρες γνωστού-καλού.

Αναντιστοιχία θερμικής διαστολής

Το συγκολλημένο συγκρότημα περιέχει υλικά με διαφορετικούς συντελεστές θερμικής διαστολής.

Οι κατά προσέγγιση τιμές θερμοκρασίας δωματίου περιλαμβάνουν:

Οι ακριβείς τιμές εξαρτώνται από τη θερμοκρασία, τον προσανατολισμό των κρυστάλλων και την κατάσταση του υλικού.

Όταν το συγκρότημα θερμαίνεται και κρυώνει, τα υλικά διαστέλλονται σε διαφορετικές ποσότητες. Αυτό δημιουργεί άγχος στα chiplets, χτυπήματα, underfill και interposer.

Ο επαναλαμβανόμενος θερμικός κύκλος μπορεί να συμβάλει:

• Κούραση από χτύπημα
• Διεπιφανειακή αποκόλληση
• Πέθανε ραγίζοντας
• Ρηγμάτωση υπογεμίσματος
• Ζημιά στο στρώμα ανακατανομής
• Αλλαγές στην απόδοση RF
• Αυξημένη θερμική αντίσταση

Τα μικρότερα chiplet παρουσιάζουν γενικά μικρότερη συνολική αναντιστοιχία επέκτασης από ένα μεγάλο καλούπι III-V, κάτι που είναι ένας λόγος για τον οποίο οι αρχιτεκτονικές chiplet μπορούν να βελτιώσουν τη μηχανική ολοκλήρωση. Ωστόσο, οι λεπτές αρθρώσεις μπορεί να εξακολουθούν να αντιμετωπίζουν υψηλή τοπική πίεση.

Θερμική Διαχείριση Τσιπετών InP, GaAs και GaN

Τα chiplet III-V δεν παράγουν ίσα θερμικά φορτία.

Οι ενισχυτές ισχύος GaN RF ενδέχεται να δημιουργήσουν εστίες υψηλής συγκέντρωσης. Οι συσκευές InP και GaAs μπορεί επίσης να είναι ευαίσθητες στη θερμοκρασία διακλάδωσης, ειδικά όπου το κέρδος, ο θόρυβος και η αξιοπιστία πρέπει να παραμένουν σταθερά.

Η κύρια διαδρομή θερμότητας μπορεί να διέρχεται από:

1. Τα ενεργά επίπεδα συσκευής
2. Το υπόστρωμα III-V
3. Επιμετάλλωση στο πίσω μέρος ή εξογκώματα στο μπροστινό μέρος
4. Η διεπαφή συγκόλλησης
5. Υλικό υπογεμίσματος ή θερμικής διεπαφής
6. Ο παρεμβολέας πυριτίου
7. Υπόστρωμα συσκευασίας ή θερμοδιασκορπιστής
8. Εξωτερικό σύστημα ψύξης

Κάθε διεπαφή προσθέτει θερμική αντίσταση.

Ο παρεμβολέας πυριτίου μπορεί να βοηθήσει στη διανομή θερμότητας, αλλά δεν θα πρέπει να αντιμετωπίζεται αυτόματα ως ιδανικός διανομέας θερμότητας. Πυκνά στρώματα ανακατανομής, διηλεκτρικά στρώματα, κοιλότητες και υποπλήρωση μπορεί να διακόψουν τη θερμική διαδρομή.

Οι επιλογές θερμικού σχεδιασμού μπορεί να περιλαμβάνουν:

• Λεπτότερα chiplet III-V
• Χάλκινοι θερμικοί πυλώνες
• Θερμικές διόδους πυριτίου
• Διανομείς θερμότητας στο πίσω μέρος
• Προσάρτηση μήτρας υψηλής αγωγιμότητας
• Τοπικά μεταλλικά στρώματα διασποράς θερμότητας
• Ενσωματωμένη ψύξη μικρορευστών
• Ψύξη διπλής όψης
• Θερμομόνωση μεταξύ ευαίσθητων καλουπιών

Η σωστή λύση εξαρτάται από την πυκνότητα ισχύος, την αποδεκτή θερμοκρασία σύνδεσης και το αν η θερμότητα πρέπει να εξαπλωθεί πλευρικά ή να αφαιρεθεί απευθείας από το πίσω μέρος του chiplet.

RF και Θερμικός Συν-Σχεδιασμός

Ο ηλεκτρικός και θερμικός σχεδιασμός δεν μπορεί να βελτιστοποιηθεί ανεξάρτητα.

Ένα μεγάλο επίπεδο εδάφους μπορεί να βελτιώσει τη συμπεριφορά των ραδιοσυχνοτήτων, αλλάζει επίσης την τάση και τη διάδοση θερμότητας. Τα παχιά στρώματα πολυμερούς μπορεί να μειώσουν την απώλεια ραδιοσυχνοτήτων αλλά να αυξήσουν τη θερμική αντίσταση. Οι πυκνές μεταλλικές κατασκευές μπορούν να βελτιώσουν την αγωγιμότητα της θερμότητας ενώ εισάγουν παρασιτική σύζευξη.

Η τοποθέτηση τσιπετών θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη:

• Μήκος σήματος RF
• Απόσταση παροχής ισχύος
• Συνέχεια επίγειας επιστροφής
• Θερμικά σημεία
• Θέρμανση από τσιπετ σε τσιπετ
• Συγκέντρωση μηχανικής καταπόνησης
• Πρόσβαση σε κατασκευές ψύξης

Τα chiplet GaN υψηλής ισχύος δεν πρέπει να τοποθετούνται δίπλα σε θερμικά ευαίσθητους δέκτες InP χωρίς ανάλυση θερμικής σύζευξης.

Η προσομοίωση σε επίπεδο συστήματος θα πρέπει να συνδυάζει ηλεκτρομαγνητικά, θερμικά και μηχανικά μοντέλα προτού οριστικοποιηθεί η διάταξη παρεμβολής.

Υποπλήρωση και ενθυλάκωση

Η υποπλήρωση κατανέμει τη μηχανική καταπόνηση και προστατεύει τις λεπτές διασυνδέσεις, αλλά οι διηλεκτρικές και θερμικές του ιδιότητες μπορούν να επηρεάσουν την απόδοση ραδιοσυχνοτήτων.

Σημαντικές παράμετροι υποπλήρωσης περιλαμβάνουν:

• Ιξώδες
• Μέγεθος σωματιδίων πλήρωσης
• Θερμοκρασία μετάβασης γυαλιού
• Συντελεστής ελαστικότητας
• CTE
• Θερμική αγωγιμότητα
• Απορρόφηση υγρασίας
• Διηλεκτρική σταθερά
• Διηλεκτρική απώλεια
• Θεραπεία συρρίκνωσης
• Σχηματισμός κενού

Στις υψηλές συχνότητες, η υποπλήρωση γύρω από τα χτυπήματα σήματος αλλάζει το τοπικό ηλεκτρομαγνητικό περιβάλλον. Συνεπώς, η επιλογή υλικού θα πρέπει να περιλαμβάνεται στη μοντελοποίηση ραδιοσυχνοτήτων.

Η ροή χωρίς κενά γίνεται πιο δύσκολη καθώς μειώνεται το βήμα πρόσκρουσης και αυξάνεται η περιοχή τσιπλετ. Τα υπολείμματα ροής ή η μόλυνση της επιφάνειας μπορεί να περιορίσουν περαιτέρω την τριχοειδική πλήρωση.

Προτεινόμενη ροή παραγωγής

Μια απλοποιημένη διαδικασία ενσωμάτωσης chiplet III-V μπορεί να περιλαμβάνει:

1. Κατασκευάστε δρομολόγηση ραδιοσυχνοτήτων, παθητικά και συγκολλητικά επιθέματα στον παρεμβολέα πυριτίου
2. Σχηματίστε και αποκαλύψτε διαμπερείς δικλείδες πυριτίου εάν απαιτείται
3. Αραιώστε και τελειώστε την πίσω πλευρά της παρεμβολής
4. Μετρήστε το TTV, το τόξο, το στημόνι και την τοπική επιπεδότητα
5. Κατασκευάστε και δοκιμάστε ηλεκτρικά τις γκοφρέτες πηγής III-V
6. Αραιώστε τις γκοφρέτες InP, GaAs ή GaN όπως απαιτείται
7. Κόψτε σε ζάρια ή συνδυάστε γνωστά καλά τσιπάκια
8. Επιθεωρήστε τις άκρες της μήτρας, τις επιφάνειες και τα μαξιλαράκια συγκόλλησης
9. Καθαρίστε και ενεργοποιήστε τις διεπαφές συγκόλλησης
10. Ευθυγραμμίστε και κολλήστε κάθε chiplet
11. Εφαρμόστε υποπλήρωση ή ενθυλάκωση εάν απαιτείται
12. Εκτελέστε θερμική θεραπεία και χαλάρωση του στρες
13. Επιθεωρήστε την ποιότητα και την ευθυγράμμιση των δεσμών
14. Διεξαγωγή ηλεκτρικών, ραδιοσυχνοτήτων και θερμικών δοκιμών
15. Πλήρης συναρμολόγηση τελικού πακέτου και πιστοποίηση αξιοπιστίας

Η ακριβής αλληλουχία εξαρτάται από το εάν η διαδικασία χρησιμοποιεί συγκόλληση με συγκόλληση, θερμοσυμπίεση, άμεση σύνδεση, υβριδική σύνδεση ή συγκόλληση με τη βοήθεια λέιζερ.

Απαιτήσεις επιθεώρησης και μετρολογίας

Οι προτεινόμενες μέθοδοι επιθεώρησης περιλαμβάνουν:

• Υπέρυθρη επιθεώρηση
• Ακουστική μικροσκοπία σάρωσης
• Απεικόνιση με ακτίνες Χ
• Επιθεώρηση οπτικής επιφάνειας
• Συμβολομετρία λευκού φωτός
• Μικροσκόπιο ατομικής δύναμης
• Γκοφρέτα τόξο και στημόνι χαρτογράφηση
• Μετρολογία ευθυγράμμισης ομολόγων
• Δοκιμή ηλεκτρικής συνέχειας
• Ανάλυση δικτύου RF
• Θερμική απεικόνιση
• Μεταβατική θερμική μέτρηση

Καμία τεχνική δεν προσδιορίζει κάθε ελάττωμα. Για παράδειγμα, η απεικόνιση με ακτίνες Χ μπορεί να αποκαλύψει τη γεωμετρία των προσκρούσεων, ενώ η ακουστική μικροσκοπία σάρωσης είναι πιο κατάλληλη για την ανίχνευση ορισμένων κενών και αποκόλλησης.

Τα δεδομένα μετρολογίας θα πρέπει να συσχετίζονται με ηλεκτρικά αποτελέσματα και αποτελέσματα ραδιοσυχνοτήτων για να εντοπιστούν ποια φυσικά ελαττώματα επηρεάζουν πραγματικά την απόδοση της συσκευής.

Λίστα ελέγχου προμηθειών

Κατά την προμήθεια interposers πυριτίου και chiplet III-V, οι αγοραστές θα πρέπει να προσδιορίζουν τα ακόλουθα.

Silicon Interposer

• Διάμετρος γκοφρέτας
• Προσανατολισμός πυριτίου
• Αντίσταση πυριτίου
• Πάχος γκοφρέτας
• TTV
• Φιόγκο και στημόνι
• Τοπική επιπεδότητα θέσης συγκόλλησης
• Δομή επιπέδων ανακατανομής
• Υλικό και πάχος αγωγού
• Διηλεκτρικό υλικό
• Διάμετρος TSV, βήμα και αντίσταση
• Μεταλλουργία Bond-pad
• Ομοιομορφία βήματος και ύψους πρόσκρουσης
• Απαιτήσεις παθητικής συνιστώσας
• Τραχύτητα επιφάνειας
• Όρια σωματιδίων
• Εξαίρεση άκρων
• Μορφή χαρτών γκοφρέτας

III-V Chiplets

• Υλικό: InP, GaAs ή GaN
• Τεχνολογία συσκευής
• Διάμετρος πηγής-γκοφρέτας
• Διαστάσεις Chiplet