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Heterogeneous Integration on Silicon-Interconnect Fabric using fine-pitch interconnects (≤10 �m)
Today, the ever-growing data-bandwidth demand is pushing the boundaries of the traditional printed circuit board (PCB) based integration schemes. Moreover, with the apparent saturation of semiconductor scaling, commonly called Moore's law, system scaling warrants a paradigm shift in packaging technologies, assembly techniques, and integration methodologies. In this work, a superior alternative to PCBs called the Silicon-Interconnect Fabric (Si-IF) is investigated. The Si-IF is a silicon-based, package-less, fine-pitch, highly scalable, heterogeneous integration platform for wafer-scale systems. In this technology, unpackaged dielets are assembled on the Si-IF at small inter-dielet spacings (≤100 �m) using fine-pitch (≤10 �m) die-to-substrate interconnects. A novel assembly process using a solder-less direct metal-metal (gold-gold and copper-copper) thermal compression bonding was developed. Using this process, sub-10 �m pitch interconnects with a low specific contact resistance of ≤0.7 Ω-�m2 were successfully demonstrated. Because of the tightly packed Si-IF assembly, the communication links between the neighboring dies are short (≤500 �m) with low loss (≤2 dB), comparable to on-chip connections. Consequently, simple buffers can transfer data between dies using a Simple Universal Parallel intERface for chips (SuperCHIPS) at low latency (<30 ps), low energy per bit (≤0.03 pJ/b), and high data-rates (up to 10 Gbps/link), corresponding to an aggregate bandwidth up to 8 Tbps/mm. The benefits of the SuperCHIPS protocol were experimentally demonstrated to provide 5-90X higher data-bandwidth, 8-30X lower latency, and 5-40X lower energy per bit compared to existing integration schemes. This dissertation addresses the assembly technology and communication protocols of the Si-IF technology
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 dĂ©fis de la recherche et dĂ©veloppement est d'optimiser l'ensemble du cycle de fabrication d'un produit microĂ©lectronique, depuis sa conception jusqu’à sa tenue mĂ©canique en service. Un objectif essentiel des entreprises Ă©tait de rĂ©duire le temps de cycles d’assemblage afin de minimiser les coĂ»ts de production. La phase d’assemblage des composants microĂ©lectroniques est l'une des Ă©tapes clĂ© qui doit ĂŞtre bien optimisĂ©e afin d’atteindre l’objectif de minimisation du temps de cycle. La mĂ©thode d'assemblage traditionnelle des puces par refusion (en anglais mass reflow MR) convenait gĂ©nĂ©ralement Ă une fabrication Ă grand volume, en particulier pour des puces Ă pas standard d'environ 150 ÎĽm. Cependant, la forte demande du marchĂ© pour des interconnexions Ă pas plus fin, pour permettre un nombre d'entrĂ©e/sortie (Input/Output : I/O) plus Ă©levĂ© dans un facteur de forme plus petit, a entraĂ®nĂ© une transition du processus de la liaison MR conventionnel Ă l'assemblage par thermocompression (en anglais ThermoCompression Bonding TCB). Bien que le procĂ©dĂ© TCB offre un assemblage de plus grande prĂ©cision et permet l'utilisation des pas d'interconnexion plus fins, il prĂ©sente Ă©galement de nouveaux dĂ©fis. L'un des problèmes majeurs de l'assemblage TCB est qu'il s'agit d'un processus assez long, dans lequel chaque puce doit ĂŞtre passĂ©e indĂ©pendamment Ă travers un cycle TCB complet, incluant le chauffage, le maintien de la tempĂ©rature et le refroidissement. Cela entraĂ®ne une diminution significative de la productivitĂ© par rapport au MR. Le dĂ©bit de production peut ĂŞtre amĂ©liorĂ© en rĂ©duisant le temps nĂ©cessaire pour atteindre les tempĂ©ratures de processus requises. Cependant, des variations thermiques peuvent se produire aux interfaces de liaison, entraĂ®nant une mauvaise uniformitĂ© de tempĂ©rature sur la surface de la puce et conduisant Ă des rĂ©gions oĂą le point de fusion de la brasure n'est pas atteint. Ainsi, il est extrĂŞmement important de prĂ©voir et contrĂ´ler la tempĂ©rature rĂ©elle Ă
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)