Fijne hoge-densiteit 3D integratie met behulp van zelf-alignerende assemblage

Omwille van de groeiende vraag naar snellere geïntegreerde chips met een laag verbruik voor Internet-of-Things (IoT) en zogenaamde ‘slimme elektronica’ toepassingen, is het van groot belang voor de halfgeleiderindustrie om enerzijds de efficiëntie en snelheid van chips te verhogen en anderzijds hun kostprijs te verlagen. De integratie van chips in drie dimensies (3D) wordt gezien als een mogelijke oplossing voor dit probleem. Om de communicatie tussen de verschillende gestapelde chips mogelijk te maken, is een hoge densiteit van exact gealigneerde interconnecties noodzakelijk. Het verhogen van de interconnectie-densiteit resulteert echter ook in een kleinere pitch, wat op zijn beurt dan weer leidt tot kleinere microbumps. Daardoor wordt ook de afwijkingstolerantie van de uitlijning sterk verlaagd en het 3D-chipsstapelingsproces bemoeilijkt.  De huidige bindingstoestellen met thermo-compressie kunnen echter niet aan de gevraagde toleranties voldoen. Op zelf-uitlijning gebaseerde assemblage wordt als een goedkope oplossing gezien om toch een kleine pitch te bekomen met traditionele oppak-en plaatsingseenheden.

In deze thesis wordt getracht om de brug te maken tussen het bewijs-van-concept en industrieel toepassen van deze baanbrekende technologie. Om de invloed van zowel de laterale plaatsing van de chip als het volume van de waterdruppel op de finale uitlijningsprecisie te berekenen, hebben we een gedetailleerde fysische modelleringstudie uitgevoerd en de resultaten daarvan vervolgens experimenteel gevalideerd. Bovendien hebben we een nieuw model ontwikkeld waarmee de impact van deze parameters op de capillaire en de inertiale tijd voorspeld kan worden.  Waar men in het verleden niet verder kwam dan een uitlijningsprecisie van +/- 3 µm, wordt met onze zelf-uitlijningstechniek, die gebaseerd is op snelle opwarming, een accuraatheid van minder dan +/- 1 µm bereikt.

Verder hebben we ook een nieuw model opgesteld om de impact te onderzoeken van de verdamping van het water tussen de chips op de uitlijning. Een correct begrip van de verdampingssnelheid is niet enkel belangrijk om het gedrag van de chips tijdens de snelle opwarmingsfase te voorspellen, maar bepaalt ook de doorvoertijd van de volledige assemblage. Daarnaast werd nog een literatuurstudie en gedetailleerde analyse uitgevoerd om de bindingsmechanismen tussen anorganische diëlektrica onderling en directe koper-koper-binding te begrijpen, kijkend naar hun mechanische eigenschappen, oppervlakteruwheid en oppervlaktechemie. De combinatie van deze twee bindingsmethodes zijn daarna gebruikt om hybride binding van PTCS chips mogelijk te maken. Ten slotte stellen we verschillende nieuwe zelf-uitlijnings- en assemblage methodes voor die nog verder onderzoek met geavanceerde simulatietechnieken vereisen.  De haalbaarheid van deze methodes dient nog experimenteel aangetoond te worden.