Новые технологии в области миниатюризации электронных компонентов для потребительских устройств

Движущие силы за компонентной миниатюризацией

Спрос на более мелкие и легкие устройства не зависит только от эстетики, он обусловлен конкретными, измеримыми ожиданиями пользователей и инженерными ограничениями.

• Портативность и эргономика:] Носимые устройства, такие как умные часы и настоящие беспроводные наушники, имеют практически нулевую терпимость к объему. Каждый сохраненный миллиметр толщины напрямую влияет на повышение комфорта пользователя и свободы дизайна.
• Оптимизация жизни батареи: В устройстве с фиксированными размерами уменьшение объема, занимаемого логикой, памятью и пассивными компонентами, позволяет использовать батарею большего размера. Альтернативно, поддержание той же производительности в меньшем объеме оставляет больше места для хранения энергии или других функций, таких как тактильные двигатели и датчики камеры.
• Враждебные среды: Промышленные датчики IoT, медицинские имплантаты и носимые устройства для приключенческих видов спорта должны быть прочными. Меньшие устройства часто легче запечатывать, укреплять и затвердевать от ударов, влаги и экстремальных температур.
• Стоимость на единицу функции:] На системном уровне интеграция специализированных матриц (логика, память, аналог, RF) в единый пакет может быть более рентабельной, чем изготовление единой массивной монолитной системы на чипе (SoC).

Системы в пакете (SiP) и гетерогенная интеграция

Технология System-in-Package (SiP) стала доминирующей силой в современной миниатюризации. В отличие от System-on-Chip (SoC), которая интегрирует все функции на один кремниевый кристалл, SiP объединяет несколько кристаллов, часто изготавливаемых на разных технологических узлах, в один модуль. Это позволяет инженерам выбирать лучшую технологию для каждой функции. Например, цифровой процессор может быть построен на переднем 3-нм узле, в то время как аналоговый управляющий мощностью IC использует более зрелый, низкоутечиваемый 28-нм узел.

Этот подход широко называется гетерогенной интеграцией , и он является краеугольным камнем современных флагманских устройств. Он позволяет комбинировать логику, память, датчики MEMS и пассивные компоненты, такие как резисторы и конденсаторы, в пределах следа, который часто не больше, чем один обычный чип-пакет.

Упаковка на уровне вентилятора (FOWLP)

Одной из наиболее успешных архитектур SiP является упаковка уровня вентилятора (FOWLP). В традиционной упаковке чип вырезается из пластины, смонтирован на подложке и скреплен проводом. В FOWLP кристаллы встраиваются в формовочное соединение на временной несущей пластине. Медные межсоединения затем строятся непосредственно над матрицами и плесенью, раздуваясь для создания плотного массива контактов. Это устраняет необходимость в отдельной ламинированной подложке, в результате чего получается более тонкая, меньшая упаковка с превосходными тепловыми и электрическими характеристиками.

FOWLP сыграл важную роль в разработке современных смартфонов. Он позволяет интегрировать ИС управления питанием, радиочастотные приемопередатчики и процессоры базовой полосы в часть пространства, требуемого более старыми методами пакета на упаковке (PoP). Такие компании, как TSMC (с его технологией InFO), сделали FOWLP реальностью производства большого объема.

Встроенная упаковка Die

Внедряемая упаковка для штамповки помещает активные компоненты непосредственно в печатную плату (PCB) или органическую подложку. Этот метод закапывает самые тонкие возможные штампы в слоях платы, освобождая площадь поверхности для других компонентов. Он уменьшает общую z-высоту сборки и может улучшить целостность сигнала за счет сокращения физического расстояния между штампом и другими компонентами на уровне платы. Это особенно актуально для преобразователей мощности и модулей датчиков, где длина сигнального пути напрямую влияет на производительность.

3D-интеграция и сквозные силиконовые системы (TSV)

Если SiP интегрируется горизонтально, 3D интеграция строит вертикально. Ядром, обеспечивающим технологию для этого вертикального укладки, является Through-Silicon Via (TSV). TSV — это вертикальное электрическое соединение, которое полностью проходит через кремниевую пластину или кристалл. Складывая память или логику, гибнет друг над другом и соединяя их с TSV, инженеры могут достичь плотности компонентов далеко за пределами того, что возможно с 2D-макетами. Длина соединения резко уменьшается, что приводит к снижению задержки и снижению энергопотребления.

Термическое управление в 3D структурах

Самая большая проблема, стоящая перед 3D-интеграцией, - это тепло. Укладка высокопроизводительной логики умирает друг над другом создает интенсивные тепловые точки. Если тепло не эффективно убирается, производительность ухудшается, а надежность страдает. Инженеры решают эту проблему с помощью нескольких стратегий:

• Неиспользованные или выделенные TSV, заполненные медью, стратегически размещаются в качестве тепловых каналов для теплоотвода.
• Микрофлюидное охлаждение: Встроенные микроканалы вытравливаются в заднюю часть кремниевой матрицы. Встроенные микроканалы прокачиваются по этим каналам для извлечения тепла непосредственно из источника.
• Иерархическая укладка:

  Высокоширотная память (HBM) и 3D NAND

  Наиболее успешное коммерческое применение технологии TSV — в памяти. Высокоширотная память (HBM) стекает множеством DRAM-моделей вертикально, соединенных тысячами TSV. Это обеспечивает огромную пропускную способность памяти в крошечном следе. HBM является стандартным компонентом в высокопроизводительных видеокартах и ускорителях ИИ, а его принципы адаптируются для мобильных устройств.

  Аналогично, флэш-память 3D NAND стекает ячейки хранения вертикально в десятки или сотни слоев. Эта технология позволила твердотельным накопителям достичь терабайтов емкости в форм-факторе 2,5 дюйма или M.2. В то время как 3D NAND использует другую вертикальную архитектуру, чем стекинг на основе TSV, это яркий пример того, как третье измерение используется для плотности.

  Расширенная литография и паттерны

  В то время как упаковка обрабатывает интеграцию, фундаментальный размер самого транзистора по-прежнему обусловлен литографией. Для сохранения уменьшающихся размеров функций полупроводниковая промышленность приняла литографию Extreme Ultraviolet (EUV) . EUV использует свет с длиной волны 13,5 нанометров, что на порядок короче, чем 193 нм, используемый в традиционной глубокой ультрафиолетовой (DUV) литографии.

  EUV позволяет точно моделировать чрезвычайно маленькие функции с меньшим количеством шагов, улучшая как разрешение, так и выход. Как объяснил основной разработчик технологии, принципы EUV литографии ASML, этот метод необходим для производства самых маленьких логических узлов и узлов памяти.

  Режиссерская самосборка (DSA) и многобуквенная рассылка

  Не каждый слой в чипе требует абсолютного разрешения EUV. Для приложений, где EUV слишком дорог или недоступен, методы многообразного паттерна (например, LELE: Litho-Etch-Litho-Etch) используются для выталкивания инструментов DUV за пределы их неотъемлемых ограничений. Другой многообещающей техникой является Направленная самосборка (DSA) . DSA использует блок-сополимеры, которые естественным образом образуются в конкретные узоры (например, линии или отверстия) при нанесении на поверхность. Путем направления этой самосборки с литографически определенным руководящим шаблоном, чрезвычайно однородные и тонкие функции могут быть созданы по более низкой цене, чем традиционная литография.

  Новые материалы, позволяющие использовать более мелкие устройства

  По мере того, как размеры сжимаются до атомного масштаба, сами материалы становятся основным функциональным компонентом. Поиск замен традиционному кремнию и диоксиду кремния имеет решающее значение для поддержания производительности и уменьшения утечки энергии.

  Двумерные (2D) материалы

  Такие материалы, как графен и дихалькогениды переходных металлов (TMD), такие как дисульфид молибдена (MoS2), широко изучаются. Эти материалы имеют толщину всего лишь одного или нескольких атомов. Графен обеспечивает невероятную подвижность электронов, но не имеет пропускной способности, что затрудняет выключение графенового транзистора. MoS2, с другой стороны, имеет естественный разрыв в частоте и исследуется для транзисторов сверхнизкой мощности и гибкой электроники. Согласно недавнему обзору в Nature Communications, , исследования в 2D-материалах для электронных приложений продолжают развиваться, хотя производственные проблемы остаются значительными.

  Диэлектрики High-K и металлические ворота

  В чрезвычайно небольших технологических узлах традиционный изолятор затвора диоксида кремния становится настолько тонким, что он пропускает ток. Решением было ввести диэлектрики высокого кабеля (например, диоксид гафния), которые физически толще, но электрически ведут себя как очень тонкий слой SiO2, эффективно останавливая утечку затвора. Это в паре с металлическими затворами , которые заменяют стандартный электрод затвора из полисиликана для устранения эффектов истощения и снижения сопротивления. Эти инновации материала являются стандартными практически во всех современных высокопроизводительных чипах.

  Аддитивное производство в электронике

  Стремление к конформной и гибкой электронике привело к принятию методов аддитивного производства (3D-печать). Эти методы позволяют печатать схемы непосредственно на изогнутых поверхностях, текстиле или гибких пластиковых подложках. Это нарушает жесткую, планарную парадигму традиционного производства печатных плат.

  Аэрозольная струя для печати и прямой чернильной записи

  Такие технологии, как аэрозольная струя печати, используют газ-носитель для распыления тонкого тумана проводящих чернил (часто содержащих наночастицы серебра или медь) на подложку. Этот туман может быть сфокусирован для создания функций размером до 10 микрометров без необходимости физической маски или трафарета. Он позволяет печатать схемы с тонким разрешением на 3D-поверхностях, позволяя антеннам, датчикам и даже тонкопленочным транзисторам интегрироваться в физическую структуру устройства.

  Прямая чернильная запись (DIW) - это аналогичная техника, которая выдавливает вязкий "чернил" через тонкое сопло. Это используется для печати межсоединений, резисторов и даже диэлектрических слоев. Эти аддитивные процессы очень эффективны, производят очень мало отходов по сравнению с субтрактивным травлением, и они имеют решающее значение для прототипирования и производства специализированных устройств в небольших объемах.

  Проблемы термо- и энергетического менеджмента

  Миниатюризация создает неизбежную термодинамическую проблему. По мере сближения компонентов плотность мощности увеличивается, а площадь поверхности, доступная для рассеивания тепла, уменьшается. Управление этим теплом больше не является запоздалой мыслью; это основное дизайнерское ограничение, которое с самого начала влияет на выбор архитектуры, материалов и упаковки.

  Встроенное микрофлюидное охлаждение

  Для самых требовательных приложений, таких как процессоры центров обработки данных и высококачественная графика, исследователи встраивают микрофлюидные каналы непосредственно в кремний или подложку упаковки. Путем прокачки диэлектрической охлаждающей жидкости через эти каналы тепло может быть удалено с гораздо большей эффективностью, чем только твердая проводимость. Этот метод переходит из лаборатории в коммерческие продукты и, как ожидается, станет ключевым фактором для следующего поколения мощных 3D-стекленных ИС.

  Усовершенствованные материалы теплового интерфейса (TIM)

  Зазор между кремниевой матрицей и теплоотводом традиционно заполнен смазкой или прокладкой. Advanced TIMs заменяют их материалами, которые имеют гораздо более высокую теплопроводность. Жидкий металл TIMs, сплавы на основе галлия, обеспечивают исключительные тепловые характеристики, но их трудно применять и представляют риски короткого замыкания. Синтетические графитовые листы и Композиты на основе алмаза также используются для распространения тепла по бокам на шасси устройства, предотвращая локализованные горячие точки.

  Последствия для потребительских устройств следующего поколения

  Сближение этих методов миниатюризации позволяет создать класс устройств, которые были научной фантастикой всего десять лет назад.

  Носимые и имплантируемые медицинские устройства

  Преобразованы слуховые аппараты, непрерывные глюкометры (КГМ) и интеллектуальные инсулиновые помпы. Весь SiP-модуль, содержащий радио Bluetooth, микроконтроллер и управление питанием, может вписаться в корпус размером с монету. Это позволяет медицинским устройствам быть сдержанными, удобными и долговечными. Следующий рубеж — нейронные интерфейсы, которые требуют экстремальной миниатюризации и низкой мощности для безопасной имплантации в организм человека.

  Дополненная реальность (AR) и виртуальная реальность (VR)

  Очки AR должны упаковать вычислительную мощность высококачественного смартфона в форм-фактор, который выглядит как обычные очки. Это возможно только благодаря агрессивному использованию SiP и 3D-стекинга. Процессор, память, Wi-Fi, Bluetooth, концентратор синтеза датчиков и драйвер дисплея должны быть интегрированы в ультратонкий модуль с низким энергопотреблением, который находится внутри висячего рукава очков. Гетерогенная интеграция является единственным жизнеспособным путем к достижению этого баланса производительности и стиля.

  Будущее и постоянные вызовы

  Будущее миниатюризации компонентов лежит в ко-дизайне , где архитектор чипов, дизайнер упаковки и системный инженер работают вместе с первого дня. Старая модель проектирования кристалла и передачи его команде упаковщиков устарела.

  Однако остаются значительные проблемы. Стоимость передового упаковочного оборудования высока. Инструменты проектирования (EDA) для 3D-ИК все еще созревают, что затрудняет моделирование тепловых и электрических взаимодействий уложенной системы. Надежность является постоянной проблемой; значительно разные коэффициенты теплового расширения между кремнием, медью и органическими подложками могут вызывать механическое напряжение и сбои во многих тепловых циклах.

  Несмотря на эти препятствия, траектория ясна. Эра полагаться исключительно на масштабирование транзисторов уступает место эпохе интеллектуальной, многомерной интеграции. Овладевая SiP, TSV, 3D-стекингом, передовой литографией и новыми материалами, индустрия электроники продолжает движение к меньшим, более быстрым и более способным устройствам, меняя ландшафт потребительских технологий в процессе.