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Tendencias tecnológicas en materiales dieléctricos para la próxima generación de encapsulados semiconductores 2,5D y 3D

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La industria de semiconductores amplía continuamente los límites de la tecnología de envasado para satisfacer la demanda de mayor rendimiento y eficiencia de los chips. El ancho de banda es uno de los factores críticos que definen la cantidad de datos transmitidos entre las matrices de un envase. El ancho de banda, crucial para la velocidad y la eficiencia de la comunicación, se ve afectado por factores como IO/mm y Datarate/IO, que, a su vez, se ven influidos por los materiales dieléctricos seleccionados para el encapsulado en 2,5D y 3D.

Este artículo explora las tendencias tecnológicas de los materiales dieléctricos para el encapsulado 2,5D y 3D, con datos extraídos del informe de mercado de IDTechEx sobre este tema, "Materials and Processing for Advanced Semiconductor Packaging 2024-2034".

 

Alcance de "Materiales y procesamiento para el encapsulado avanzado de semiconductores 2024-2034". Fuente: IDTechEx

Encapsulado 2,5D:

En el caso del encapsulado 2,5D, la consecución de un ancho de banda elevado depende de la capa de redistribución (RDL) dentro del encapsulado, donde son importantes características como la línea/espacio (L/S), la vía y las dimensiones de la almohadilla. Sin embargo, los materiales dieléctricos inorgánicos tradicionales, como el SiO2, aunque son capaces de lograr una L/S fina, adolecen de constantes dieléctricas elevadas (Dk=3,9) y están ligados a la técnica de fabricación del Si.

Esto dificulta la comunicación a alta velocidad y plantea problemas costosos. Por ello, los investigadores están explorando alternativas orgánicas con constantes dieléctricas más bajas para mejorar el rendimiento y reducir costes.

Los materiales dieléctricos orgánicos surgen como alternativas prometedoras para el envasado de semiconductores avanzados, ya que ofrecen constantes dieléctricas más bajas y ventajas de coste. Sin embargo, la selección de los dieléctricos orgánicos adecuados exige una cuidadosa consideración de los parámetros clave. El informe de IDTechEx "Materials and Processing for Advanced Semiconductor Packaging 2024-2034" identifica cinco parámetros críticos cruciales para los dieléctricos orgánicos, como Dk (constante dieléctrica) y Df (tangente de pérdida), CTE (coeficiente de expansión térmica), elongación, módulo de Young y absorción de humedad. Lo ideal sería disponer de materiales con Dk y Df bajos, CTE compatible con Si y Cu, alto valor de elongación y un módulo de Young moderado para proporcionar estabilidad al paquete. Sin embargo, la selección de materiales conlleva compensaciones; por ejemplo, los polímeros de Dk bajo pueden presentar coeficientes de expansión térmica (CTE) más elevados, lo que repercute en la fiabilidad del dispositivo y en las arquitecturas de envasado. Por tanto, lograr un equilibrio entre estos parámetros es fundamental para seleccionar con éxito el material en el envasado de semiconductores.

Encapsulado 3D:

La reducción de los pasos entre los puntos de soldadura ha sido un avance continuo en la evolución de los envases 3D. Sin embargo, este enfoque plantea dificultades a la hora de establecer conexiones eléctricas fiables debido a la reducción de la altura y la superficie de los puntos de soldadura, lo que exige procesos de fabricación precisos. La unión por termocompresión (TCB) resuelve este problema permitiendo una unión de paso fino de tan solo 10μm, aunque persisten problemas como la formación de compuestos intermetálicos (IMC) y la formación de puentes entre las bolas de soldadura. Para superar estos problemas, la tecnología Cu-Cu Hybrid Bonding incrusta contactos metálicos entre materiales dieléctricos y emplea un tratamiento térmico para la difusión de átomos de cobre, lo que elimina los problemas de formación de puentes relacionados con la soldadura y mejora la fiabilidad en el embalaje de componentes de alto rendimiento. Se considera una solución prometedora para la industria de semiconductores, que amplía los límites de la miniaturización y el rendimiento de los dispositivos electrónicos.

En la actualidad, la unión híbrida se basa en materiales dieléctricos inorgánicos como el SiO2 o el SiCN para el aislamiento, que tienen dificultades para conseguir patrones topográficos a escala fina y exigen técnicas de fabricación avanzadas. Como alternativa, los dieléctricos orgánicos, similares a las ventajas que aportan a los encapsulados 2,5D, ofrecen beneficios como las propiedades low-k, que reducen el retardo RC y la pérdida por inserción, resisten la migración de Cu y toleran mejor los defectos y el alabeo. Sin embargo, el uso de dieléctricos orgánicos para la unión híbrida 3D sigue en fase de I+D debido a problemas como las elevadas temperaturas de unión (las aplicaciones de memoria limitan la temperatura de unión a menos de 250 °C y, en determinadas aplicaciones (como las pantallas) que contienen materiales sensibles incrustados en la cubierta que no pueden soportar altas temperaturas, el requisito de temperatura de unión debe reducirse a 150 °C). Además, la compatibilidad de la CMP con los polímeros sigue siendo una cuestión crítica. Las características de los polímeros semicurados, como el bajo módulo, el comportamiento viscoelástico y la adherencia, plantean problemas a la hora de garantizar la fiabilidad de la superficie de Cu durante la CMP. Las diferencias de módulo entre el Cu y el polímero complican aún más la formación de protuberancias de Cu.

El informe de IDTechEx "Materials and Processing for Advanced Semiconductor Packaging 2024-2034" sugiere que, si se mejoran sus propiedades, los dieléctricos orgánicos pueden llegar a ser viables para la unión híbrida. Si tiene éxito, la integración de materiales orgánicos en los procesos de producción en serie podría impulsar a las empresas de OSAT a adoptar la unión híbrida de forma más generalizada. Este cambio podría ampliar la disponibilidad de la tecnología más allá de unas pocas fundiciones, ya que los dieléctricos orgánicos ofrecen la posibilidad de aliviar las estrictas normas de fabricación y limpieza asociadas a los materiales inorgánicos.

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

 

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