БТИИС_вопросы_к_экзамену

Следующий шаг – это металлизация отверстий. Тут тоже есть ряд своих проблем. Первое – размеры TSV, и транзисторов отличаются на 2-3 порядка, поэтому, если пытаться перенести в отверстие такое количество металла теми же способами, то это будет долго. Вернее, долго и дорого.

Второе, из-за того, что металл надо наносить не на плоскую поверхность, а на внутренние стенки отверстия, отверстия имеют тенденцию «зарастать». То есть, металл полностью закрывает входное отверстие, так и не покрыв полностью его стенки и не создав сквозной проводящей связи. Для решения этой проблемы надо прилагать дополнительные усилия.

Есть интересные подходы, вроде «забивания» в отверстия металлического штифта, с очевидными проблемами, как из разряда точности операций, так и сохранности пластины.

Далее – проблемы сборки стека кремниевых пластин с использованием TSV (вертикальных соединений). 3d-интеграция в первую очередь важна для больших устройств, т.к. могла бы сильно снизить их стоимость, сократив площадь кремниевой пластины, отбраковываемую одним единственным дефектом. Но вместо этого проблема видоизменяется: теперь при укладке одной пластины на другую требуется соединить друг с другом сотни и тысячи TSV контактов. Причём сделать это с первого раза, второй попытки не будет. Подобные упражнения при размерах TSV порядка единиц или десятков микрон лежат в области точной механики, у которой есть свои ограничения. А цена ошибки – брак всего стека пластин. Что не отразится положительно на цене.

При этом, вокруг TSV при разработке необходимо оставлять некоторую «зону отчуждения», свободную от транзисторов. Иначе слишком высок риск, что, в процессе прорезания отверстий или сборки стека пластин, логика в данной области будет повреждена. Это с одной стороны увеличивает занимаемую площадь, а с другой – требует учитывать подобные вещи в ходе проектирования.

Механическая прочность такого изделия – отдельная проблема. Наличие сквозных отверстий само по себе снижает прочность пластин. Кроме того, из соображений распределения нагрузки, отверстия лучше бы располагать равномерно. Также, такой «бутерброд» из кремниевых пластин будет иметь неравномерные характеристики теплового расширения. При перепадах рабочей температуры это создаёт значительное усилие в точках соединения TSV и может привести к разрушению стека.

Технология встроенного монтажа

Технология Embedded Multi-die Interconnect Bridge позволяет устанавливать чипы, произведённые по разным технологическим процессам, на одной плате.

Идея объединить на одной подложке разные микросхемы не нова, но до сих пор для соединения чипов использовался кремниевый интерпозер. Технология заключалась в том, что все микросхемы монтируются на довольно крупной кремниевой прослойке; кристаллы связываются сверху вниз межслойными соединениями, которые требуют наличия сотен тысяч крошечных каналов, формируемых в этой же прослойке. Это обстоятельство ограничивает количество таких проводников и их производительность.

Ещё один минус заключается в том, что на поверхности прослойки можно разместить только ограниченное количество микросхем. Кроме того, в процессе производства нужно быть очень осторожным, поскольку соединение может вызвать ошибки, которые довольно

61

трудно исключить. С точки зрения экономии использование интерпозера ввиду больших затрат также невыгодно, поэтому такой способ связи кристаллов используется только в видеокартах категории High-End, а для средней категории и доступных по цене устройств аналогов нет.

Втехнологии EMIB сохраняются преимущества использования интерпозера, но для реализации EMIB не требуется отдельная кремниевая прослойка. Соединение между кристаллами происходит по узким мостам (до 75 мкм), которые формируются прямо в подложке, что приводит к существенной экономии не только затрат на производство, но и места.

ВEMIB для связи кристаллов используются не объёмные вертикальные межслойные соединения, а маленькие (55 мкм в диаметре) микроконтакты (Pitch Bumps), через которые данные между микросхемами передаются с высокой скоростью. По контактам большего диаметра (130 мкм) между микросхемами и подложкой подаётся питание.

42. Контроль качества сборочных операций. Герметизация интегральных схем.

Контроль качества: контроль качества микросоединений в электронной технике является критически важным, так как от 35 до 60% отказов приборов связаны с дефектами внутренних выводов. Основным критерием качества является прочность соединений, которая должна со-

62

ставлять не менее 30% от прочности присоединяемого вывода. В массовом производстве невозможно проверить каждое соединение, поэтому ключевое значение имеют методы выявления и устранения факторов, негативно влияющих на качество.

Для контроля используются как разрушающие, так и неразрушающие методы. Среди разрушающих методов распространены испытания на растяжение, сдвиг и отрыв, при этом важно учитывать угол отрыва и расположение контактных площадок. Неразрушающие методы включают визуальный контроль под микроскопом, ультразвуковой резонансный контроль, электромагнитный метод, контроль по тепловым параметрам, обдув струей газа и рентгеновский контроль. Визуальный контроль остается основным методом 100%-ной проверки, особенно для оценки деформации проволоки и геометрических дефектов.

Оптимизация режимов монтажа и управление технологическим процессом играют ключевую роль в обеспечении надежности соединений. Математическое моделирование и статистический анализ помогают прогнозировать качество сварки. Для особо надежных приборов применяются сложные методы, такие как тепловизоры и электромагнитный контроль.

Каждый метод контроля имеет ограничения, поэтому для комплексной оценки качества необходимо комбинировать несколько подходов, учитывая специфику дефектов и этапов производства.

Герметизация интегральных схем (ИС) является критически важной операцией, так как предотвращает проникновение влаги и газов внутрь корпуса, что может привести к деградации и отказам элементов. Основная задача — обеспечить герметичность, которая характеризуется допустимой утечкой газа или жидкости. Влага внутри корпуса вызывает коррозию, электролитические процессы и ускоряет деградацию, особенно при конденсации на поверхностях элементов. Для снижения влажности используют герметизацию в сухой атмосфере (вакуум или азот с точкой росы ниже −40 °C) и предварительное прокаливание деталей.

Основные методы герметизации включают:

Холодную сварку — применяется для металлических корпусов, требует чистоты поверхностей и пластичности материалов.

Электроконтактную сварку — используется для корпусов со штырьковыми выводами, включает точечную, шовную и стыковую сварку.

Сварку плавлением (аргонодуговая, микроплазменная, электронно-лучевая, лазерная) — обеспечивает высокую точность и чистоту соединений.

Пайку — соединяет металлы, керамику и стекло, требует чистоты поверхностей и контроля температурного режима.

Герметизацию пластмассой (прессование, литье, обволакивание, окунание) — подходит для массового производства, но менее надежна по сравнению с металлическими корпусами.

Капсулирование — помещение ИС в полые корпуса с последующей заливкой компаундом.

Контроль герметичности проводится методами:

Компрессионно-термическим (регистрация пузырьков газа в масле).

Масс-спектрометрическим (обнаружение гелия).

Радиоактивным (использование радиоактивных газов).

Испытаниями в агрессивных средах (влажность, соляной туман, термоудары).

63

Качество герметизации напрямую влияет на долговечность и надежность ИС, особенно в условиях эксплуатации с перепадами температуры и влажности

43. Новые технологии и направления в производстве интегральных схем. Прогноз модификации существующих технологий. Перспективы создания альтернативных устройств.

Фотолитография исчерпала свои возможности из-за волновых свойств света (дифракции). Дальнейшее уменьшение размеров элементов обеспечивает рентгенолитография и электронная литография. Но и они имеют ограничения, обусловленные тем, что происходит существенные разупорядочение материалов за пределами окон фоторезиста. По прогнозам к 2010 2015 развитие микроэлектроники достигнет вершин своего развития. Степень интеграции N при этом достигнет 20 30 миллионов и более. Что же далее? Далее по прогнозам специалистов на схему микроэлектронике прейдет наноэлектроника [1]. Уже разработаны нанотехнологические установки, при помощи которых можно «сортировать» атомы: удалять атомы, заменять атомы, формировать из атомов трехмерные элементы. При этом создаются квантовые проводники с поперечными размера порядка 20Å (ангстрем), в которых, кроме всего прочего, еще значительно сокращается расстояние энергии и, следовательно, резко увеличивается быстродействие. Например, изготовленный по нанотехнологии полевой транзистор (с размерами в пределах 40 80 нм) имеет быстродействие терагерцовом диапазоне (1 ТГц = 1012 Гц). Уже в ближайшие годы будет достигнута сверхвысокая плотность записи информации – 1012 бит/см2, а длительность фронта изменения электрического сигнала будет достигать 10-14 с [1]. По оценкам специалистов уже к 2005 году удастся разработать технологические установки, обеспечивающие «сборку» атомов со скоростью в один кубический дециметр вещества в час.

Другие альтернативы микроэлектроники.

Одновременно с развитием микроэлектроники постоянно велись и ведутся исследования по созданию альтернативной базы. Уже шесть лет предсказывается, что на смену микроэлектронике прейдет функциональная электроника, оптоэлектроника, квантовая электроника и биоэлектроника. Во всех этих направлениях к настоящему времени достигнуты обнадеживающие результаты. Но ни в одном из упомянутых направлений не создано технологической базы, обеспечивающей экономически конкурентное производство высоконадежной элементной базы [1]. Ведь бурное развитие микроэлектроники обусловлено именно высокоэффективными технологиями.

64

44.Структуры с вертикальным каналом и с вертикальным затвором.

Структуры с вертикальным каналом появились при переходе на проектную норму менее 100 нм.

Среди структур с вертикалным каналом – VMOS, vertical MOS (см. рис. с треугольным затвором). Такая форма затвора позволяет передавать большие токи (для силовой) + вспомогательную роль играет обедненный n—слой. Структура на данный момент не используетсыя, так как на острие возникает очень большое электрическое поле, приводящее к инжекции электронов в подзатворный оксид и, соответственно, к его деградации. В силовых устройствах ныне заменен конструкцией UMOS (форма затвора – бочкообразная).

65

45.Показатели качества кремниевой технологии.

Качество изделий – совокупность свойства, обусловливающих их способность удовлетворить определенным требованиям в соответствии с назначением.

ГОСТовские показатели качества:

Назначения

Экономного использования энергии

Технологичности

Стандартизации и унификации

Объемно-массовые показатели

Показатели стойкости к внешним воздействиям

Показатели надежности

Важный показатель качества – плотность упаковки элементов на кристалле. Для повышения плотности элементов используется совмещение нескольких функций некоторыми областями полупроводникового кристалла (функциональная интеграция), а также трехмерные структуры, разделенные диэлектрическими прослойками.

Показатели качества кремниевой технологии (в микроэлектронике и производстве полупроводников) включают следующие ключевые параметры:

1.Технологические параметры

Минимальный размер элемента (design rule) – например, 7 нм, 5 нм (характеризует степень миниатюризации).

Плотность дефектов (defect density) – количество дефектов на единицу площади кристалла.

Выход годных (yield) – процент годных кристаллов на пластине.

Однородность параметров – разброс характеристик транзисторов на пластине.

2.Электрические характеристики транзисторов

Пороговое напряжение (V_th) – напряжение включения транзистора.

Ток утечки (I_off) – паразитный ток в выключенном состоянии.

Ток через открытый транзистор (I_on) – определяет быстродействие.

Подпороговый наклон (subthreshold slope) – крутизна переключения.

66

3.Надежность и долговечность

Стойкость к электромиграции – устойчивость металлизации к разрушению под током.

Надежность диэлектрика (TDDB) – время до пробоя оксида.

Радиационная стойкость – устойчивость к воздействию ионизирующего излучения.

4.Энергоэффективность

Динамическое энергопотребление (зависит от C·V²·f).

Статическое энергопотребление (утечки в выключенном состоянии).

5.Производительность

Быстродействие (f_max) – максимальная частота переключения.

Задержка логических элементов (gate delay) – время переключения вентиля.

Эти показатели определяют качество кремниевой технологии и её конкурентоспособность на рынке полупроводниковых изделий.

Источники (не все, но наиболее значимые):

1)http://www.chipnews.ru/html.cgi/arhiv/02_07/4.htm

2)https://studfile.net/preview/4441693/page:4/

3)https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/5920

67