On the Interfacial Phase Growth and Vacancy Evolution during Accelerated Electromigration in Cu/Sn/Cu Microjoints

In this work, we integrate different computational tools based on multi-phase-field simulations to account for the evolution of morphologies and crystallographic defects of Cu/Sn/Cu sandwich interconnect structures that are widely used in three dimensional integrated circuits (3DICs). Specifically, this work accounts for diffusion-driven formation and disappearance of multiple intermetallic phases during accelerated electromigration and takes into account the non-equilibrium formation of vacancies due to electromigration. The work compares nucleation, growth, and coalescence of intermetallic layers during transient liquid phase bonding and virtual joint structure evolution subjected to accelerated electromigration conditions at different temperatures. The changes in the rate of dissolution of Cu from intermetallics and the differences in the evolution of intermetallic layers depending on whether they act as cathodes or anodes are accounted for and are compared favorably with experiments. The model considers non-equilibrium evolution of vacancies that form due to differences in couplings between diffusing atoms and electron flows. This work is significant as the point defect evolution in 3DIC solder joints during electromigration has deep implications to the formation and coalescence of voids that ultimately compromise the structural and functional integrity of the joints.NSF Grant No.CMMI-146225

Through Silicon Vias in MEMS packaging, a review

Trough Silicon Via (TSV) is a key enabling technology to achieve the integration of various dies by exploiting the third dimension. This allow the integration of heterogeneous chips in a single package (2.5D integration) or to achieve higher integration densities of transistors (3D integration). These vertical interconnections are widely used for both IC and MEMS devices. This paper reviews TSV technology focusing on their implementation in MEMS sensors with a broad overview on the various fabrication approaches and their constraints in terms of process compatibility. A case study of an inertial MEMS sensor will then be presented.publishedVersio

Commercialization of low temperature copper thermocompression bonding for 3D integrated circuits

Thesis (M. Eng.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Materials Science and Engineering, 2008.Includes bibliographical references (p. 84-87).Wafer bonding is a key process and enabling technology for realization of three-dimensional integrated circuits (3DIC) with reduced interconnect delay and correspondingly increased circuit speed and decreased power dissipation, along with an improved form factor and portability. One of the most recent novel and promising wafer bonding approaches to realizing 3DIC is Low Temperature Thermocompression (LTTC) bonding using copper (Cu) as the bonding interface material. This thesis investigates the LTTC bonding approach in terms of its technological implications in contrast to other conventional bonding approaches. The various technological aspects pertaining to LTTC are comprehensively explored and analyzed. In addition to this, the commercialization potential for this technology is also studied and the economic viability of this process in production is critically evaluated using suitable cost models. Based on the technological and economic outlook, the potential for commercialization of LTTC is gauged.by Raghavan Nagarajan.M.Eng

Modeling, design, and characterization of through vias in silicon and glass interposers

Advancements in very large scale integration (VLSI) technology have led to unprecedented transistor and interconnect scaling. Further miniaturization by traditional IC scaling in future planar CMOS technology faces significant challenges. Stacking of ICs (3D IC) using three dimensional (3D) integration technology helps in significantly reducing wiring lengths, interconnect latency and power dissipation while reducing the size of the chip and enhancing performance. Interposer technology with ultra-fine pitch interconnections needs to be developed to support the huge I/O connection requirement for packaging 3D ICs. Through vias in stacked silicon ICs and interposers are the key components of a 3D system. The objective of this dissertation is to model through vias in 3D silicon and glass interposers and, to address power and high-speed signal integrity issues in 3D interposers considering silicon biasing effects. An equivalent circuit model of the through via in silicon interposer (Si TPV) has been proposed considering the bias voltage dependent Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) capacitance effect. Important design guidelines and optimizations are proposed for Si TPVs used in the signal delivery network, power delivery network (PDN), and as variable capacitors. Through vias in glass interposers (Glass TPVs) are modeled, designed and simulated by using electromagnetic field solvers. Signal and power integrity analyses are performed for silicon and glass interposers. PDN design is proposed by utilizing the MOS capacitance of the Si TPVs for decoupling.PhDCommittee Chair: Tummala, Rao; Committee Co-Chair: Swaminathan, Madhavan; Committee Member: Lim, Sung Kyu; Committee Member: Mukhopadhyay, Saibal; Committee Member: Sitaraman, Suresh; Committee Member: Sundaram, Venk

Through-Silicon Vias in SiGe BiCMOS and Interposer Technologies for Sub-THz Applications

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation zum Thema „Through-Silicon Vias in SiGe BiCMOS and Interposer Technologies for Sub-THz Applications“ wurde auf Basis einer 130 nm SiGe BiCMOS Technologie ein Through-Silicon Via (TSV) Technologiemodul zur Herstellung elektrischer Durchkontaktierungen für die Anwendung im Millimeterwellen und Sub-THz Frequenzbereich entwickelt. TSVs wurden mittels elektromagnetischer Simulationen modelliert und in Bezug auf ihre elektrischen Eigenschaften bis in den sub-THz Bereich bis zu 300 GHz optimiert. Es wurden die Wechselwirkungen zwischen Modellierung, Fertigungstechnologie und den elektrischen Eigenschaften untersucht. Besonderes Augenmerk wurde auf die technologischen Einflussfaktoren gelegt. Daraus schlussfolgernd wurde das TSV Technologiemodul entwickelt und in eine SiGe BiCMOS Technologie integriert. Hierzu wurde eine Via-Middle Integration gewählt, welche eine Freilegung der TSVs von der Wafer Rückseite erfordert. Durch die geringe Waferdicke von ca. 75 μm wird einen Carrier Wafer Handling Prozess verwendet. Dieser Prozess wurde unter der Randbedingung entwickelt, dass eine nachfolgende Bearbeitung der Wafer innerhalb der BiCMOS Pilotlinie erfolgen kann. Die Rückseitenbearbeitung zielt darauf ab, einen Redistribution Layer auf der Rückseite der BiCMOS Wafer zu realisieren. Hierzu wurde ein Prozess entwickelt, um gleichzeitig verschiedene TSV Strukturen mit variablen Geometrien zu realisieren und damit eine hohe TSV Design Flexibilität zu gewährleisten. Die TSV Strukturen wurden von DC bis über 300 GHz charakterisiert und die elektrischen Eigenschaften extrahiert. Dabei wurde gezeigt, dass TSV Verbindungen mit sehr geringer Dämpfung <1 dB bis 300 GHz realisierbar sind und somit ausgezeichnete Hochfrequenzeigenschaften aufweisen. Zuletzt wurden vielfältige Anwendungen wie das Grounding von Hochfrequenzschaltkreisen, Interposer mit Waveguides und 300 GHz Antennen dargestellt. Das Potential für Millimeterwellen Packaging und 3D Integration wurde evaluiert. TSV Technologien sind heutzutage in vielen Anwendungen z.B. im Bereich der Systemintegration von Digitalschaltkreisen und der Spannungsversorgung von integrierten Schaltkreisen etabliert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einsatz von TSVs für Millimeterwellen und dem sub-THz Frequenzbereich untersucht und die Anwendung für den sub-THz Bereich bis 300 GHz demonstriert. Dadurch werden neue Möglichkeiten der Systemintegration und des Packaging von Höchstfrequenzsystemen geschaffen.:Bibliographische Beschreibung List of symbols and abbreviations Acknowledgement 1. Introduction 2. FEM Modeling of BiCMOS & Interposer Through-Silicon Vias 3. Fabrication of BiCMOS & Silicon Interposer with TSVs 4. Characterization of BiCMOS Embedded Through-Silicon Vias 5. Applications 6. Conclusion and Future Work 7. Appendix 8. Publications & Patents 9. Bibliography 10. List of Figures and Table

Heterogeneous 2.5D integration on through silicon interposer

© 2015 AIP Publishing LLC. Driven by the need to reduce the power consumption of mobile devices, and servers/data centers, and yet continue to deliver improved performance and experience by the end consumer of digital data, the semiconductor industry is looking for new technologies for manufacturing integrated circuits (ICs). In this quest, power consumed in transferring data over copper interconnects is a sizeable portion that needs to be addressed now and continuing over the next few decades. 2.5D Through-Si-Interposer (TSI) is a strong candidate to deliver improved performance while consuming lower power than in previous generations of servers/data centers and mobile devices. These low-power/high-performance advantages are realized through achievement of high interconnect densities on the TSI (higher than ever seen on Printed Circuit Boards (PCBs) or organic substrates), and enabling heterogeneous integration on the TSI platform where individual ICs are assembled at close proximity

Développement de procédés avancés d'encapsulation de composants microélectroniques basés sur les techniques de thermocompression

L'un des grands défis de la recherche et développement est d'optimiser l'ensemble du cycle de fabrication d'un produit microélectronique, depuis sa conception jusqu’à sa tenue mécanique en service. Un objectif essentiel des entreprises était de réduire le temps de cycles d’assemblage afin de minimiser les coûts de production. La phase d’assemblage des composants microélectroniques est l'une des étapes clé qui doit être bien optimisée afin d’atteindre l’objectif de minimisation du temps de cycle. La méthode d'assemblage traditionnelle des puces par refusion (en anglais mass reflow MR) convenait généralement à une fabrication à grand volume, en particulier pour des puces à pas standard d'environ 150 μm. Cependant, la forte demande du marché pour des interconnexions à pas plus fin, pour permettre un nombre d'entrée/sortie (Input/Output : I/O) plus élevé dans un facteur de forme plus petit, a entraîné une transition du processus de la liaison MR conventionnel à l'assemblage par thermocompression (en anglais ThermoCompression Bonding TCB). Bien que le procédé TCB offre un assemblage de plus grande précision et permet l'utilisation des pas d'interconnexion plus fins, il présente également de nouveaux défis. L'un des problèmes majeurs de l'assemblage TCB est qu'il s'agit d'un processus assez long, dans lequel chaque puce doit être passée indépendamment à travers un cycle TCB complet, incluant le chauffage, le maintien de la température et le refroidissement. Cela entraîne une diminution significative de la productivité par rapport au MR. Le débit de production peut être amélioré en réduisant le temps nécessaire pour atteindre les températures de processus requises. Cependant, des variations thermiques peuvent se produire aux interfaces de liaison, entraînant une mauvaise uniformité de température sur la surface de la puce et conduisant à des régions où le point de fusion de la brasure n'est pas atteint. Ainsi, il est extrêmement important de prévoir et contrôler la température réelle à l'interface de liaison afin d’obtenir une bonne uniformité thermique et des joints de brasure sans défaut. C'est dans cette perspective que s'inscrit les travaux menés dans la première partie de la thèse. Le premier objectif de cette étude était donc de déterminer la durée minimum de temps de chauffe nécessaire assurant une uniformité de température optimal et par conséquent des joints de brasure de bonne qualité. Pour atteindre cet objectif, il fallait alors proposer et valider une nouvelle méthodologie pour estimer la température d'interface lors d'un processus TCB. Une évaluation de l'influence de différentes vitesses de chauffe sur la distribution de température à travers la surface de la puce, ainsi que sur la qualité de liaison résultante, a été réalisée à l’aide d’un capteur de type RTD (). Les résultats ont montré que les défauts de brasure observés aux interfaces de liaison peuvent éventuellement être liés à une mauvaise uniformité de température, liée à des vitesses de chauffe élevées. Des variations thermiques acceptables ont été trouvées à une faible vitesse de chauffage de 80°C/s. Par conséquent, pour surmonter les températures de processus élevées et leurs effets néfastes sur la productivité, le développement d'une nouvelle méthode d’assemblage TCB à basse température devient primordiale. Le développement d’une nouvelle méthode de liaison par thermocompression à l'état solide détecteur de température résistif, Resistance Temperature Detector en anglais était donc notre second objectif dans cette étude. Cette méthode est basée sur la création d'une liaison mécanique temporaire initiale au début du processus de packaging (en utilisant une pression à une température inférieure au point de fusion de la brasure). Les joints de iv brasure seront entièrement refondus à la fin du processus de packaging, lorsque les billes de brasure BGA (ball-grid-array) seront brasées au substrat. Cette nouvelle méthode peut surmonter les limitations associées au processus TCB conventionnel, notamment la température élevée, le processus d'assemblage lent et les contraintes mécaniques élevées. Une investigation a été menée pour déterminer les conditions d'assemblage appropriées à appliquer pendant ce processus. Des investigations supplémentaires ont été également menées pour explorer le mécanisme d'assemblage responsable de l’assemblage mécanique temporaire. Les résultats préliminaires de cette méthode sont prometteurs, montrant des joints de brasure de bonne qualité formés en un temps d'assemblage très court (6 secondes) et à des températures bien inférieures au TCB conventionnel (200°C)

A non-linear analytic stress model for the analysis on the stress interaction between TSVs

Thermo-elastic strain is induced by through silicon vias (TSV) due to the difference of thermal expansion coefficients between the copper (∼18 ppm/◦C) and silicon (∼2.8 ppm/◦C) when the structure is exposed to a thermal budget in the three dimensional integrated circuit (3DIC) process. These thermal expansion stresses are high enough to induce the delamination on the interfaces between the copper, silicon, and isolated dielectric. A compact analytic model for the strain field induced by different layouts of thermal copper filled TSVs with the linear superposition principle is found to result in large errors due to the strong stress interaction between TSVs. In this work, a nonlinear stress analytic model with different TSV layouts is demonstrated by the finite element method and Mohr’s circle analysis. The stress characteristics are also measured by the atomic force microscope-raman technique at a nanometer level resolution. This nonlinear stress model for the strong interactions between TSVs results in an electron mobility change ~2-6% smaller than that resulting from a model that only considers the linear stress superposition principle