48-67

ВОСЕМЬ ТЕНДЕНЦИЙ, КОТОРЫЕ ИЗМЕНЯТ ЭЛЕКТРОНИКУ

• РАЗВИТИЕ ТРАДИЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ КОРПУСИРОВАНИЯ

• СИСТЕМЫ В КОРПУСЕ

• СИСТЕМЫ НА КРИСТАЛЛЕ

• ТЕХНОЛОГИЯ СБОРКИ НА ПЛАСТИНЕ (WLP)

• ЗD-ИНТЕГРАЦИЯ

• ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ СО ВСТРОЕННЫМИ КОМПОНЕНТАМИ

• MEMS – microelectromechanicalsystems

(Микро-ЭлектроМеханические Системы - МЭМС)

• ОРГАНИЧЕСКАЯ И ПЕЧАТНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) - технологии и устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты. Типичный размер микромеханических элементов, входящих в МЭМС, лежит в пределах от 1 до 100 мкм, тогда как размеры кристалла МЭМС микросхемы имеют размеры от 20 микрометров до одного миллиметра.

Обычно MEMS делят на два типа:

Cенсоры– измерительные устройства, которые переводят те или иные физические воздействия в электрический сигнал.

Актуаторы - (исполнительная, управляющая часть) с электроникой, выполняющей функции сбора, анализа, контроля, формирования управляющих сигналов на общей подложке посредством технологий микроэлектроного производства.

Основные преимущества МЭМС заключаются в следующем:

• низкой стоимости благодаря использованию технологий микроэлектроники для производства микромеханических элементов;

• в малых размерах и малой массе, что позволяет использовать их в портативных устройствах таких, как мобильные телефоны, ноутбуки;

• в существенно меньшем энергопотреблении.

МЭМС акселерометры. Разновидности, примеры конструкций

Акселерометры включаются в мехатронные системы, чтобы измерять 5 основных параметров: движение, положение, наклон, вибрацию и удар.

Среди этих датчиков выделяются следующие, классифицируемые согласно измерительному и физическому принципу, категории акселерометров:

• ёмкостные. • пьезоэлектрические,

• В мобильных телефонах и видеоприставках – для автоматического поворота изображения

• В портативных компьютерах акселерометры улавливают момент, когда жесткий диск может подвергнуться повреждению из-за удара и паркуют его, диска, головки.

• В фототехнике использование датчиков движения не менее актуально – именно на их основе работают честные системы стабилизации изображения.

• В автомобилях: в подушках безопасности и антиблокировочных системах тормозов.

МЭМС актуаторы.

Разновидности, примеры конструкций

Одни из самых ярких представителей устройств с MEMS-актуаторами  –  DLP-проекторы (DLP – DigitalLightProcessing).

В основе этих проекторов лежит микроэлектромеханическая система под названием DMD (DigitalMicromirrorDevice, цифровое микрозеркальное устройство).DMD-чип представляет собой матрицу микрозеркал, количество которых равно разрешению итогового устройства. Для разрешения 1920х1080 – чуть больше 2 миллионов. Каждое микрозеркало – крошечная алюминиевая пластинка размером 10x10 микрон.

Зеркало покоится на сравнительно массивной площадке, которая прикреплена к более тонкой и более гибкой, чем прочие детали системы, полоске – подвесу – натянутой между опорами.

В двух других углах основания, не занятых опорами, расположены электроды, которые за счет кулоновской силы могут притягивать один из краев зеркала.

Технология изготовления МЭМС устройствПри производстве MEMS-устройств используются примерно те же процессы и материалы, что и при производстве микроэлектроники.

В качестве примера рассмотрим одну небольшую и относительно несложную задачу: производство массива микроэлектродов. Основные этапы производства ИС включают:

• наращивание слоёв – на кремниевой подложке наращиваются слои эпитаксиального Si, диоксида кремния SiO2, нитрида кремния Si3N4, поликремния, металла для создания активных, пассивных компонентов, межсоединений;

• допирование – модулирование свойств слоя введением атомов посредством тепловой диффузии или ионной имплантации;

• литографию – процесс генерации и передачи рисунка схемы, наиболее распространённым методом является фотолитография с использованием оптической маски (слоя хрома) на слой фоторезиста;

• травление (влажное, сухое) – выборочное удаление предназначенных для этого участков паттерна;

• разделение на чипы;

• корпусирование.

• Кремниевая объемная микрообработка включает технологию глубинного объемного травления. При таком процессе объемная структура получается внутри подложки благодаря ее анизотропным свойствам, т. е. различной скорости травления кристалла в зависимости от направления кристаллографических осей. Объемную структуру можно получить и методом наращивания, когда несколько подложек сплавляются и образуют вертикальные связи на атомарном уровне.

• При поверхностной микромеханической обработке трехмерная структура образуется за счет последовательного наложения основных тонких пленок и удаления вспомогательных слоев в соответствии с требуемой топологией. Преимущество данной технологии - возможность многократного удаления (растворения) вспомогательных слоев без повреждения взаимосвязей базовых слоев. А главная ее особенность состоит в том, что она совместима с полупроводниковой технологией, поскольку для микрообработки используется обычная КМОП-технология.

66.Классификация технологии 3D-интеграции: системы в корпусе, системы «корпус-на-корпусе», системы на кристалле. Тенденции их развития Классификация технологии 3D-интеграцииШирокий спектр современных изде­лий, использующих технологии 3D микрокорпусирования и микросборки, или, иными словами, «системы в корпусе» можно упрощенно классифицировать по трем основным группам:многокристальные модули с кристаллами, расположенными один на другом ["stackeddies") и организацией межсоединенийпроволоч­ными выводами;многоэтажные корпуса (SoP -"systemonpackage"] с организа­циеймежсоединений с помощью шариковых выводов или так назы­ваемых «бампов»; многокристальные модули, исполь­зующие технологии создания для организации межсоединений пере­ходных отверстий в материале са­мих полупроводниковых кристаллов (TSV - "throughsiliconvias"). В иллюстрированном виде вышеизло­женная классификация представлена на рис. 3.Технологии для производства микро­сборок 1-й группы [«системы в корпусе», «этажерки кристаллов»] уже несколько лет серийно используются в промышлен­ности и доступны для нас. Направление развития технологии идёт в сторону уве­личения количества слоев и уменьшения толщины кристаллов [в настоящее время до 70 микрометров в серийном производ­стве). Именно здесь, по моему мнению, лежит огромный потенциал развития рос­сийской электроники специального назна­чения. Достаточно большое количество наших предприятий производят широкую номенклатуру гибридных микросборок по устаревшим технологиям (подложки из поликора или ситалла, односторонняя или двухсторонняя тонкопленочная техно­логия, однослойный поверхностный или бескорпусной монтаж]. Использование многослойных печатных плат в приложе­ниях высокой надежности тоже имеет свои минусы, неприемлемые для многих конкретных приложений из-за проблем, связанных с теплопроводностью, разны­ми коэффициентами термического рас­ширения и низких частотных свойств. С технической точки зрения, наиболее простым путём быстрой и эффективной модернизации производства микросборок высокой надёжности представляется внедрение технологии многослойной низ­котемпературной керамики в сочетании с технологией монтажа «этажерок кри­сталлов». Такое сочетание 3D технологий (многослойная керамическая подложка или герметичный корпус со встроенными пассивными компонентами плюс много­слойный монтаж кристаллов с разварной проволокой) позволит улучшить массога-баритные характеристики микросборок в разы, а для некоторых случаев в десятки раз. Налицо и другие преимущества: улуч­шение частотных характеристик (свойства керамических материалов, уменьшение длин межсоединений, повторяемость и воспроизводимостьточностных характери­стик монтажа], теплоотвода, прочности, герметичности.

Вторая группа 3D интегрированных структур типа «корпус на корпусе» тре­бует для своей реализации добавить к технологиям первой группы технологии создания шариковых выводов и «бам-пов» или, другими словами, контактных микровыступов, что позволяет совмест­но с технологиями «flipchip» существен­но расширить зону использования таких структур.

Наболее перспективными и активно разрабатываемыми сейчас в мире явля­ются изделия третьей группы, интегри­рованные на уровне полупроводниковых пластин и кристаллов с переходными от­верстиями (TSV технология]. Так как формат статьи не позволяет более подробно рассмотреть все осо­бенности и возможности технологий 3D интеграции, положивших начало чет­вёртой технологической революции в электронике, разрешите, в заключение, отметить две особенности этой техноло­гии, касающиеся именно России, нашей электронной и радиоэлектронной про­мышленности, а именно: технологии 3D интеграции в раз­ работке и реализации значительно менее затратны, чем технологии интеграции в микроэлектронике, а финишный эффект по повышению функциональности электронных узлов может быть даже выше; технологии 3D интеграции настолько современны, что у нас есть шанс в этот раз не догонять, если, конечно, начатьих активно развивать прямо сейчас.

67.Типовой укрупненный технологический маршрут производства 3D ИС с TSV

Типовой укрупненный технологический маршрут производства 3D ИС с TSV Технология TSV [ThroughSiliconVias - выполнение сквозных переходных отверстий в кремнии] позволяет осущест­влять межсоединения на уровне смонтированных в трехразмерную сборку пластин или кристаллов. Пример изделия с использованием технологии TSV показан на рис. 3. В техпроцесс выполнения сквозных переходных отверстий входят операции утонения пластин, глубокого плазменного травления и заполнения переходных отверстий.

В зависимости от последовательно­сти технологических операций различают два основных подхода при производ­стве 3D ИС:

ViaFirst (выполнение переходных отверстий ДО формирования структур);

ViaLast (выполнение переходных отверстий ПОСЛЕ формирования структур].Так, например, в случае формирования переходных отверстий до структур (ViaFirst) Процесс заполнения отверстий не ограничен максимально допустимым пределом рабочей температуры для КМОП [450°С]. Вначале пластина проходит необходимое количество циклов литографии, затем, согласно топологии, травятся переходные отверстия. Отверстия заполняются проводящим металлом (чаще всего медью), либо гальваническим методом заполнения токопроводящих отверстий с приме­нением ускоряющих или замедляющих добавок, либо с помощью вакуумного осаждения. После заполнения отвер­стий может быть выполнена операция химико-механического полирования. Для вскрытия «глухих» переходных от­верстий выполняется операция утоне­ния пластины, что также позволяет уве­личить производительность, улучшив отвод тепла (например, SOI - SilicononInsulator - технология «Кремний на изо­ляторе», применяемая ведущими про­изводителями микропроцессоров для повышения производительности). Опе­рации утонения предшествует опера­ция монтажа на временный носитель. Носителем, как правило, является кремниевая или стеклянная пластина, позволяющая утоненной пройти даль­нейшие шаги производственного цикла так, будто это была пластина нормальной толщины. С обратной стороны уто­ненной пластины готовят контактные площадки под сборку. Для дальнейшей сборки кристаллов существует две основные разновидно­сти монтажа 3D ИС: C2W (ChiptoWafer - «Кристалл к пластине»); W2W (WafertoWafer - «Пластина к пластине»].

В первом случае утоненная пластина подвергается резке и контролю по от­дельным кристаллам, после чего про­водят монтаж годных кристаллов на вторую пластину. Во втором случае пла­стины монтируются непосредственно одна к другой и только после этого они поступают на резку.

Каждая разновидность имеет свои преимущества и свои недостатки (та­блица 1). Так, например, для метода «Кристалл к пластине» характерен бо­лее высокий коэффициент выхода год­ных, однако с уменьшением размера кристалла и повышением требуемой точности монтажа метод «Пластина к пластине» считается более эффектив­ным экономически.

Технология TSV [ThroughSiliconVias - выполнение сквозных переходных от­верстий в кремнии] позволяет осущест­влять межсоединения на уровне смон­тированных в трехразмерную сборку пластин или кристаллов. Пример изде­лия с использованием технологии TSV показан на рис. 3. В техпроцесс выпол­нения сквозных переходных отверстий входят операции утонения пластин, глу­бокого плазменного травления и запол­нения переходных отверстий.

В зависимости от последовательно­сти технологических операций различа­ют два основных подхода при производ­стве 3D ИС: ViaFirst (выполнение переходныхотверстий ДО формирования струк­тур); ViaLast (выполнение переходных отверстий ПОСЛЕ формирования структур].Так, например, в случае формирова­ния переходных отверстий до структур (ViaFirst) Процесс заполнения отверстий не ограничен максимально допустимым пределом рабочей температуры для КМОП [450°С]. Такой подход не влияет на результирующий коэффициент хода годных, но заполнение отверстий является сложной в технологическом плане задачей. В случае формирования переходных отверстий (ViaLast] после КМОП-структур результирующий коэф­фициент выхода годных понижается, однако заполнение переходных отвер­стий более технологично