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Avances en la unión híbrida Cu-Cu: Superar los retos para el futuro del encapsulado de semiconductores

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Las tecnologías de bumping para el encapsulado avanzado de semiconductores han evolucionado considerablemente para hacer frente a los retos que plantean la reducción de los pasos de contacto y las limitaciones asociadas a la soldadura convencional de flip-chips. Un avance destacado en este campo es la tecnología 3D Cu-Cu Hybrid Bonding, que ofrece una solución transformadora.

Retos en el escalado de protuberancias
A medida que se reducen los pasos de soldadura, surgen varios problemas. La reducción de la altura de la protuberancia y de la superficie de unión hace cada vez más difícil establecer conexiones eléctricas fiables, lo que exige procesos de fabricación precisos para evitar errores. La coplanaridad crítica y la rugosidad de la superficie se convierten en aspectos primordiales, ya que incluso las irregularidades menores pueden comprometer el éxito de la unión.

La fabricación se enfrenta a obstáculos como las dificultades de grabado debido a columnas de cobre y diámetros de protuberancias más pequeños, lo que hace más probable que se produzcan socavaduras. La deposición electroquímica (ECD) es más compleja porque resulta más difícil garantizar la uniformidad y controlar la coplanaridad. Además, la sensibilidad de la calidad de la unión a factores como la coplanaridad de las protuberancias, la rugosidad de la superficie y la dureza complica los ajustes de parámetros como la temperatura, el tiempo y la presión a medida que se reducen los tamaños de las protuberancias.

Los métodos convencionales de pegado de flip-chips se limitan a pasos de 50μm o 40μm, lo que plantea problemas de fiabilidad derivados de los desajustes de expansión térmica que provocan alabeos y desplazamientos de la matriz. Para hacer frente a estos problemas, la industria de semiconductores se está pasando a la unión por termocompresión (TCB) para aplicaciones avanzadas de unión de pasos finos, incluidos pasos de tan solo 10μm. La TCB ofrece una vía prometedora para lograr la precisión y fiabilidad necesarias en el panorama en constante evolución del encapsulado de semiconductores, ampliando los límites de la miniaturización y el rendimiento de los dispositivos electrónicos.

Sin embargo, a medida que el paso de contacto se reduce a unas 10 micras, surgen varios problemas. La disminución del tamaño de las bolas de soldadura aumenta el riesgo de formación de compuestos intermetálicos (IMC), lo que disminuye la conductividad y las propiedades mecánicas. Además, la posibilidad de que las bolas de soldadura se toquen y provoquen fallos de puente durante los procesos de reflujo puede provocar el fallo del chip. Estas limitaciones resultan cada vez más problemáticas en los escenarios de embalaje de componentes de alto rendimiento.

La aparición de la unión híbrida Cu-Cu
Para superar estos problemas, la tecnología de unión híbrida Cu-Cu cambia las reglas del juego. Esta innovadora técnica consiste en incrustar contactos metálicos entre materiales dieléctricos y utilizar un tratamiento térmico para la difusión en estado sólido de átomos de cobre, eliminando así el problema de los puentes asociado a la soldadura.

Las ventajas de la unión híbrida sobre la soldadura de flip-chips son evidentes. En primer lugar, permite un paso ultrafino y contactos de pequeño tamaño, lo que facilita un elevado número de E/S. Esto es fundamental en los semiconductores modernos. Esto es fundamental en los modernos envases de semiconductores, donde los dispositivos requieren un número cada vez mayor de conexiones para satisfacer las demandas de rendimiento. En segundo lugar, a diferencia de la soldadura flip-chip, que a menudo depende de materiales de relleno, la unión híbrida Cu-Cu elimina la necesidad de relleno, reduciendo la capacitancia, resistencia e inductancia parásitas, así como la resistencia térmica. Por último, el reducido grosor de las conexiones de Cu-Cu Hybrid Bonding, que casi elimina el grosor de 10-30 micras de las bolas de soldadura de la tecnología flip-chip, abre nuevas posibilidades para paquetes de semiconductores más compactos y eficientes.

Retos en la fabricación de la unión híbrida Cu-Cu:
La tecnología de unión híbrida Cu-Cu es muy prometedora para el envasado avanzado de semiconductores, pero también presenta una serie de retos que requieren soluciones innovadoras para su desarrollo futuro.

En la actualidad existen tres formas de unión híbrida Cu-Cu (véase la tabla comparativa que figura a continuación). El proceso "oblea a oblea" (W2W) es el más utilizado, mientras que el proceso "matriz a oblea" (D2W) o "chip a oblea" (C2W) está siendo objeto de un intenso desarrollo de investigación, ya que puede servir para muchas más aplicaciones que necesitan integrar troqueles de diferentes tamaños.


Tres formas de unión híbrida Cu-Cu. Fuente: IDTechEx - "Materiales y procesamiento para el empaquetado avanzado de semiconductores 2024-2034"

 

Para las tres vías, un aspecto crucial en la fabricación es el entorno de unión, donde es esencial conseguir una superficie dieléctrica plana y limpia mediante la optimización del pulido químico mecánico (CMP). Además, el desarrollo de materiales dieléctricos que puedan soportar temperaturas de recocido más bajas y duraciones más cortas es crucial para minimizar el potencial de distorsión y alabeo de las obleas durante el proceso de unión. La deposición electroquímica (ECD) optimizada de soluciones de cobre también puede reducir el tiempo de recocido y disminuir las temperaturas de recocido, mejorando la eficacia.

En el caso del proceso D2W/C2W, será fundamental abordar los retos relacionados con la singularización de las matrices y los efectos en los bordes, así como minimizar la contaminación en matrices y obleas. Se necesitan máquinas pick and place de alta precisión para garantizar la colocación exacta de las matrices, con tolerancias que se reducen hasta 0,2 µm. Para tener en cuenta los posibles errores de colocación, es imprescindible disponer de almohadillas de Cu más grandes. Además, las tecnologías avanzadas de manipulación de obleas delgadas desempeñarán un papel importante a la hora de garantizar el éxito de la unión híbrida Cu-Cu.

El desarrollo futuro de la unión híbrida Cu-Cu se centrará probablemente en el perfeccionamiento y la optimización de estos aspectos críticos del proceso. Esto incluye avances en CMP, materiales dieléctricos, soluciones ECD y maquinaria pick and place, así como innovaciones en la manipulación de obleas delgadas. La superación de estos retos allanará el camino para una mayor adopción de la unión híbrida Cu-Cu en el envasado avanzado de semiconductores, lo que permitirá la creación de dispositivos electrónicos más pequeños, potentes y eficientes energéticamente.

Para saber más sobre el envasado de semiconductores en 3D (unión híbrida Cu-Cu), consulte el informe de IDTechEx "Materiales y procesamiento para el empaquetado avanzado de semiconductores 2024-2034". El informe se divide en cuatro partes principales, que ofrecen un enfoque estructurado para comprender el envasado avanzado de semiconductores. La primera parte ofrece una introducción exhaustiva a las tecnologías, las tendencias de desarrollo, las aplicaciones clave y el ecosistema del envasado avanzado de semiconductores, proporcionando a los lectores una sólida visión general de los conocimientos. La segunda parte se centra en los procesos de envasado en 2,5D, profundizando en aspectos cruciales, como los materiales dieléctricos para RDL y Microvia, las técnicas de fabricación de RDL y la selección de materiales para EMC y MUF. Cada una de las subsecciones de esta parte presenta un análisis detallado de los flujos de procesos, los puntos de referencia tecnológicos, las evaluaciones de los actores y las tendencias futuras, proporcionando a los lectores una visión completa.

El informe va más allá del análisis de los envases 2,5D para llegar a la tercera parte, que se centra en la innovadora tecnología de unión híbrida Cu-Cu para el envasado de semiconductores 3D (unión híbrida Cu-Cu). Esta sección ofrece valiosos datos sobre el proceso de fabricación y orientaciones sobre la selección de materiales para obtener resultados óptimos. También presenta estudios de casos que ponen de relieve la aplicación con éxito de la unión híbrida Cu-Cu utilizando dieléctricos orgánicos e inorgánicos. Además, el informe incluye una previsión de mercado a 10 años para el módulo de envasado avanzado de semiconductores dieléctricos orgánicos, que se presenta en el último capítulo. Esta previsión abarca métricas unitarias y de área, proporcionando a la industria perspectivas significativas sobre el crecimiento previsto del mercado y las tendencias para la próxima década.

AUTOR: Dr. Yu-Han Chang, analista tecnológico senior de IDTechEx

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