По мере того, как центры обработки данных ИИ, беспроводные системы 6G, спутниковые связи и радар высокого разрешения переходят к более высоким частотам и пропускной способности,Традиционный кремниевый CMOS приближается к своим пределам производительности.

Фосфид индия, арсенид галлия и нитрид галлия могут обеспечивать более высокую производительность, выходную мощность, частоту работы или энергоэффективность, чем кремний в критически важных функциях.изготовление всей системы большой площади из полупроводниковых материалов III-V дорого и трудномасштабируется.

Интеграция III-V чиплет предлагает более практичный подход.300 мм кремниевые интерпозерывысокоплотные соединения, пассивные компоненты, сквозные силиконовые каналы и соединения с устройствами CMOS.

Эта архитектура сочетает в себе электрические характеристики III-V материалов с производственным масштабом и плотностью маршрутизации кремниевой технологии.зависит от гораздо большего, чем размещение разных штампов на одном и том же подложке.

Толщина чиплета, сопланорность клейкой подкладки, плоскость поверхности, лук интерпозера, точность выравнивания, тепловое расширение и удаление тепла влияют на производительность и надежность готовой упаковки.

Зачем интегрировать чиплет III-V на кремний?

Кремниевые CMOS предлагают зрелое производство 200 мм и 300 мм, высокую плотность транзисторов и относительно низкую стоимость производства.обработка сигнала и многие функции смешанного сигнала.

При миллиметровых волнах и частотах ниже терагерца кремний может не обеспечивать требуемую комбинацию усиления, выходной мощности, производительности шума и эффективности для каждой части системы.

Материалы III-V заполняют эти пробелы.

Вместо того, чтобы пытаться изготовить логику, УЗИ, коммутаторы, оптические драйверы и пассивные компоненты в одном материале, каждая функция может быть назначена наиболее подходящей технологии.

Типичная гетерогенная система может сочетать в себе:

• Кремниевые CMOS для управления и цифровой обработки
• Кремниево-германиевые BiCMOS для высокоскоростных функций смешанного сигнала
• InP чиплеты для ультравысокочастотного усиления
• Чиплетки GaAs для зрелых микроволновых и миллиметровых функций
• Чиплет GaN для усиления высокомощной радиочастотной связи
• Кремниевая фотоника для оптической передачи данных
• Силиконовый интерпозер для маршрутизации, пассивов и интеграции системы

Это функциональное разделение может уменьшить количество дорогостоящего материала III-V, позволяя одновременно изготавливать каждую чиплет в оптимизированном процессе.

Роли InP, GaAs и GaN Chiplets

ИнП Чиплетс

Индий фосфид особенно привлекателен для цепей, работающих выше 100 ГГц.высокая производительность и низкий уровень шума при чрезвычайно высоких частотах.

Потенциальные функции InP чиплет включают:

• Усилители мощности с миллиметровой волной и субтерагерцовыми
• Усилители низкого шума
• Драйверы оптических модуляторов
• Усилители трансимпедантности
• Высокоскоростные фотодетекторы
• Передние схемы 6G
• Компоненты оптической взаимосвязи центра обработки данных

Проблема заключается в том, что пластинки InP меньше, более хрупкие и более дорогие, чем кремниевые.Преобразование готового InP-вафры в маленькие функциональные чиплет позволяет более эффективно использовать доступный материал.

ГаА Чиплетс

Арсенид галлия имеет установленную производственную экосистему для микроволновых и радиочастотных устройств.требуется низкий уровень шума и надежное усиление мощности.

ГАА-подростки могут поддерживать:

• Усилители микроволновой мощности
• Передние концы фазового массива
• Радарные модули передачи и приема
• Спутниковые связи
• Радиочастотные переключатели
• Усилители низкого шума
• Системы высокочастотных датчиков

ГаА обычно занимает высокую производительность и стоимость между технологиями радиочастотного тока на основе кремния и более специализированными устройствами InP или GaN.

ГаН чиплетс

Нитрид галлия сочетает в себе высокое поле распада, высокую плотность мощности и сильные высокочастотные характеристики.Это особенно ценно для усилителей мощности RF, которые должны обеспечивать высокую выходной мощность в сложных условиях работы.

ГаН-чиплет можно использовать в:

• Усилители высокопроизводительных RF
• Базовые станции 5G и 6G
• Радар с фазовым массивом
• Передатчики спутниковой связи
• Системы электронной войны
• Высокочастотная конверсия мощности
• Схемы питания центра обработки данных

ГаН чиплеты генерируют концентрированное тепло и требуют тщательного теплового проектирования.металлизация задней стороны и структура скрепления сильно влияют на достижимую выходной мощность и долгосрочную надежность.

Что такое 300 мм радиочастотный силиконовый интерпозер?

Кремниевый интерпозер представляет собой промежуточный субстрат, размещенный между активными чиплеттами и упаковочной подложкой или печатной платой.

В отличие от базового механического носителя, силиковый интерпозер RF может содержать функциональные электрические структуры, такие как:

• Склады перераспределения тонкого звука
• Проницаемые силиконовые прокладки
• Наземные плоскости
• Линии передачи с регулируемой импеданцией
• Индукторы
• Резисторы
• Металлические конденсаторы
• Сети распределения электроэнергии
• Структуры защиты от радиочастот
• Цифровые интерконнекты высокой плотности

Использование 300-мм кремниевой платформы позволяет производить эти функции с помощью оборудования и процессов, полученных на передовых заводах полупроводников.

РЧ интерпозер должен контролировать потерю и паразитическое поведение на частотах, где даже короткое соединение может значительно повлиять на производительность системы.диэлектрические свойства, шероховатость поверхности, пути возвращения и переходы между слоями должны быть учтены.

Недавние разработки 300 мм RF интерпозера продемонстрировали работу, простирающуюся к 325 ГГц и интеграцию InP чиплет с очень низкой потерей вставки.Это указывает на то, что кремниевые интерпозеры могут функционировать как активные платформы интеграции на уровне системы, а не только пассивные носители чипов.

Преимущества перемещения пассивных компонентов к интерпозеру

Использование его для больших индукторов, конденсаторов или других пассивных компонентов может увеличить размер чипа без использования основных преимуществ материала.

Перемещение выбранных пассивных функций на кремниевый интерпозер может:

• Уменьшить площадь трещины III-V
• Более низкие материальные затраты
• Улучшение проектирования распределения энергии
• Сокращение соединений
• Сокращение объема упаковки
• Увеличение интеграции систем
• Улучшить разделение компонентов
• Разрешить независимую оптимизацию активных и пассивных устройств

Встроенные конденсаторы высокой плотности особенно важны для локальной подачи и разъединения электроэнергии. Recent research on 300 mm RF silicon interposers has reported capacitance-density improvements of approximately 10 to 100 times compared with conventional capacitors integrated directly in some III-V processes.

Следовательно, интерпозитор становится частью электрической конструкции, а не нейтральной подложкой.

III-V Способы связывания щепоток

Для прикрепления III-V чиплета к кремниевым интерпозерам можно рассмотреть несколько подходов к склеиванию.

Термокомпрессионное связывание

Термокомпрессионное связывание применяет контролируемую теплоту и давление для формирования электрических и механических соединений между металлическими подушками или микробумпами.

Возможные металлургии включают:

• Медь-медь
• Золото в золото
• Золотостакан
• Медь с запорными крышками
• Другие микробумпы на основе сварки

Метод может обеспечить сильные связи и тонкую связь между связями, но полный цикл температуры и давления должен быть совместим с III-V штампом и стеклом интерпозитора.

Соединение сварного материала на флип-чипах

Склеивание флип-чипами с микробумпами сварки относительно зрелое и может принимать некоторые изменения высоты поверхности через повторный поток сварки.

Тем не менее, размеры сварного соединения, межметаллическое образование, остатки потока и поведение заполнения должны контролироваться.Геометрия сварщика также способствует взаимосвязи индуктивности и импедантной дисконтинуитета.

Прямая металлическая связь

Прямая связь меди или золота может поддерживать более тонкую связь между связями и более короткие электрические пути.

Частицы, слои оксидов и местная топография могут предотвратить полный контакт и создать электрически открытые или механически слабые соединения.

Гибридная связь

Гибридная связь одновременно соединяет металлические соединения и окружающие диэлектрические поверхности..

Процесс привлекателен для интеграции с высокой плотностью, хотя различные материалы и механические свойства чиплет III-V требуют тщательной разработки процесса.

Лазерное связывание

Лазерное соединение обеспечивает локализованное тепло в соединительный интерфейс, а не нагревает всю пластину и упаковку на одну и ту же температуру.

Потенциальные преимущества включают:

• Более короткие циклы связывания
• Уменьшенное общее тепловое воздействие
• Защита чувствительных к температуре слоев интерпозиции
• Локальная обработка
• Сниженное тепловое напряжение на уровне пластины
• Совместимость с пассивными интерпозиторами

В 2026 году imec сообщила о лазерной связке III-V чиплет на 300 мм радиочастотного кремниевого интерпозера с точностью выравнивания ниже 600 нм и неправильным выравниванием вращения ниже 0.05 градусов через 43 устройстваИзмерения RF показали, что производительность сохранилась после сборки.

Эти результаты демонстрируют потенциал локализованного скрепления, хотя квалификация производства все еще требует широкой надежности, пропускной способности и оценки урожайности.

Почему плоскость поверхности имеет значение

Если черепашка или интерпозер недостаточно плоский, то он должен быть сделан с помощью сцепления, которое позволяет установить однородное соединение между поверхностями.некоторые соединения могут связываться правильно, в то время как другие остаются открытыми или испытывают недостаточное давление.

Критические геометрические параметры включают:

• Изменение общей толщины
• Местное изменение толщины
• Волокна для вафелей
• Вафровая варп
• Умирает сопланированность
• Однородность высоты столбца
• Всходы или выступающие части блока
• Волнообразность поверхности
• Исключение краев

Глобальный лук вафли описывает общую кривизну 300-миллиметрового интерпозера.

И то и другое имеет значение.

Пластинка может удовлетворять глобальной спецификации лука, но все еще содержит местную топографию, которая мешает маленькой III-V штрихе.локально плоское место склеивания может все еще быть трудно обработать, если полный вафля не может быть удержан равномерно на склеивающей колпачке.

Источники интерпозерного дуга и варпа

Взлом и искривление могут быть получены несколькими частями процесса производства интерпозера:

• Напряжение диэлектрического слоя
• Толстые медные перераспределительные слои
• Неравномерная плотность металла
• Процесс переработки через силикон
• Разжигание вафли
• Полимерное отверждение
• Встроенные пассивные компоненты
• Несоответствие теплового расширения
• Временные облигации и облигации
• Металлизация с задней стороны

Плотность металлов должна быть распределена как можно более равномерно. Большая область, богатая меди, с одной стороны интерпозера и область с низким содержанием металлов с другой стороны могут создавать неравномерное напряжение и местное искажение.

Протяженность пластинки должна измеряться на нескольких этапах, в том числе до переработки перераспределительного слоя, после металлизации, после разжижения и после окончательного теплового цикла.

Толщина щепота и подготовка задней стороны

Часто чиплет III-V разрезают, чтобы уменьшить длину электрического пути, улучшить тепловую производительность или удовлетворить требованиям высоты упаковки.

Однако тонкие штампы InP и GaAs могут быть хрупкими. Повреждения шлифования, отломки краев и остаточные нагрузки могут уменьшить прочность штампа во время сбора и размещения и склеивания.

К важным параметрам чиплета относятся:

• Конечная толщина штамповки
• Толерантность толщины
• Грубость задней стороны
• Параллелизм спереди-назад
• Качество края
• Ограничения на чиппинг
• Металлизация с задней стороны
• Сила шлифовки
• Статус испытания известного хорошего исхода

За шлифованием сзади обычно следует процесс снятия напряжения, который в зависимости от материала и применения может включать полировку, сухое гравирование, влажное гравирование или плазменную обработку.

Гладкая задняя сторона может улучшить адгезию металла и тепловой контакт интерфейса, в то время как чрезмерная шероховатость или загрязнение могут увеличить тепловое сопротивление.

Точность выравнивания при тонкой междусоединенной точке

Выравнивание становится более сложным по мере уменьшения толщины удара и размеров подложки.

• Размерная допустимость щепоток
• Извращение интерпозера
• Тепловое расширение при склеивании
• Калибровка инструмента размещения
• Движение на вафельной ступени
• Поворотное движение
• Точность оптического знака

Знаки выравнивания должны оставаться видимыми после предыдущих этапов обработки и должны быть расположены так, чтобы они точно отображали местную область скрепления.

Для радиочастотных устройств, неправильное выравнивание не только создает риск открытого соединения, но и может изменить геометрию соединения и ввести паразитическую емкость.Индуктивность или импедантность.

Это особенно важно при миллиметровых волнах и частотах ниже терагерца.

Грубость и чистота поверхности

Прямая металлическая и гибридная связь требует очень гладкой поверхности.

К источникам загрязнения относятся:

• Остатки от расщепления
• Фоторезистентные остатки
• Оксид металла
• Органическое загрязнение
• Обработка частиц
• Остатки шлифования с задней стороны
• Химикаты для очистки
• Материалы упаковки

Подготовка поверхности может включать влажную чистку, плазменную активацию, удаление оксидов и контролируемую сушку.

Процесс должен устранять загрязнение без повреждения тонких металлических подложки, диэлектрических слоев или открытых III-V поверхностей.

Проверка частиц должна охватывать как помещающее устройство, так и отдельные частицы.

Несоответствие теплового расширения

Соединенная сборка содержит материалы с различными коэффициентами теплового расширения.

Приблизительные значения комнатной температуры включают:

Точные значения зависят от температуры, ориентации кристаллов и состояния материала.

Когда сборка нагревается и охлаждается, материалы расширяются в разных количествах.

Повторяющийся тепловой цикл может способствовать:

• Утомляемость от ударов
• Деламинирование поверхности
• Стрельба.
• Разрыв поднаполнения
• Ущерб от перераспределения
• Изменения в производительности RF
• Повышенное тепловое сопротивление

Маленькие чиплет обычно испытывают меньше несовместимости в расширении, чем большие III-V, что является одной из причин, по которой архитектура чиплета может улучшить механическую интеграцию.тонкозвучные суставы могут по-прежнему испытывать высокое местное напряжение.

Термоуправление InP, GaAs и GaN чиплетами

Чиплет III-V не генерируют равные тепловые нагрузки.

Усилители мощности GaN RF могут создавать высококонцентрированные горячие точки. Устройства InP и GaAs также могут быть чувствительны к температуре соединения, особенно там, где прибавка, шум и надежность должны оставаться стабильными.

Основной тепловой путь может проходить через:

1. Условия активного устройства
2. Субстрат III-V
3. Задние металлизации или передние выпуклости
4. Интерфейс соединения
5. Материал для заполнения или теплового интерфейса
6. Силиконовый интерпозер
7. Подложка упаковки или теплораспределитель
8. Система внешнего охлаждения

Каждый интерфейс добавляет тепловое сопротивление.

Кремниевый интерпозер может помочь распределить тепло, но он не должен автоматически рассматриваться как идеальный теплораспределитель.полы и недополнение могут прервать тепловой путь.

Тепловые варианты проектирования могут включать:

• Малыши III-V более тонкие
• Медные тепловые колонны
• Термопроницаемые силиконовые прокладки
• Задние теплораспределители
• С высокой проводимостью
• Местные металлические теплораспределяющие слои
• Встроенное микрофлюидное охлаждение
• Двустороннее охлаждение
• Теплоизоляция между чувствительными штампами

Правильное решение зависит от плотности мощности, приемлемой температуры соединения и того, следует ли распределять тепло вбоко или удалять его непосредственно из задней части щепота.

ОВ и тепловое совместное проектирование

Электрическая и тепловая конструкции не могут быть оптимизированы независимо.

Большая земная плоскость может улучшить поведение радиочастот, а также изменить напряжение и распространение тепла.Плотные металлические конструкции могут улучшить теплопроводность при введении паразитарного соединения.

При размещении чиплет следует учитывать:

• Длина радиочастотного сигнала
• Расстояние подачи энергии
• Непрерывность наземного возврата
• Тепловые точки
• Нагрев от чиплета к чиплету
• Концентрация механического напряжения
• Доступ к охлаждающим устройствам

Высокопроизводительные чиплеты GaN не должны располагаться рядом с термочувствительными приемниками InP без анализа тепловой сцепки.

Симуляция на уровне системы должна объединять электромагнитные, тепловые и механические модели до окончательного оформления интерпозера.

Недополнение и инкапсулирование

Подполнение распределяет механическое напряжение и защищает тонкие соединения, но его диэлектрические и тепловые свойства могут повлиять на производительность радиочастот.

К важным параметрам недостаточного заполнения относятся:

• Вязкость
• Размер частиц наполнителя
• Температура стеклоперехода
• Эластичный модуль
• КТЭ
• Теплопроводность
• Поглощение влаги
• Диэлектрическая постоянная
• Диэлектрические потери
• Сокращение лечения
• Образование пустоты

При высоких частотах недостаточное заполнение вокруг сигнальных столбцов изменяет местную электромагнитную среду.

Поток без вакуума становится труднее по мере уменьшения толщины выступов и увеличения площади щепоток.

Предлагаемые производственные процессы

Упрощенный процесс интеграции чиплет III-V может включать:

1. Изготовление радиочастотных маршрутизаторов, пассивных и соединительных блоков на кремниевом интерпозере
2. Формируйте и раскрывайте сквозные силиконовые провода, если это необходимо
3. Тонкий и закончить интерпозер задняя сторона
4. Измерение TTV, лука, варпа и местной плоскости
5. Изготовление и электрическое испытание пластин источника III-V
6. По мере необходимости утолстить пластинки InP, GaAs или GaN
7. Чиплетки, известные своей добротой, в виде костей или сингулятов
8. Проверить края, поверхности и клейкие подкладки
9. Очистить и активировать интерфейсы сцепления
10. Выровняйте и связывайте каждую щепотку
11. При необходимости нанести поднаполнение или инкапсулирование
12. Выполните термическую обработку и расслабление стресса
13. Проверка качества и соответствия облигаций
14. Проведение электрических, радиочастотных и тепловых испытаний
15. Завершение окончательной сборки упаковки и квалификация надежности

Точная последовательность зависит от того, используется ли в процессе сварка, термокомпрессия, прямая сварка, гибридная сварка или сварка с помощью лазера.

Требования к инспекции и метрологии

Рекомендуемые методы проверки включают:

• Инфракрасная инспекция
• Сканирующая акустическая микроскопия
• Рентгеновская томография
• Оптическая проверка поверхности
• Интерферометрия белого света
• Атомная силовая микроскопия
• Картографирование дуги и варпа вафры
• Метрология по выравниванию связей
• Испытания электрической непрерывности
• Анализ сети радиочастот
• Термоизоляция
• Измерение преходящей температуры

Например, рентгеновская томография может выявить геометрию выступов, в то время как сканирующая акустическая микроскопия более подходит для обнаружения определенных пустот и деламинации.

Данные метрологии должны быть соотнесены с результатами электрических и радиочастотных исследований, чтобы определить, какие физические дефекты на самом деле влияют на производительность устройства.

Контрольный список закупок

При покупке кремниевых интерпозеров и III-V чиплет покупателям следует указать следующее.

Силиконовый интерпозер

• Диаметр пластины
• Силиконовая ориентация
• Сопротивляемость кремния
• Толщина пластины
• TTV
• Лыжа и варп
• Местная плоскость места связывания
• Структура перераспределения
• Материал проводника и толщина
• Диэлектрический материал
• Диаметр TSV, наклона и сопротивление
• Металлургия с подшипниками
• Однородность наклона и высоты
• Требования к пассивному компоненту
• Грубость поверхности
• Пределы количества частиц
• Исключение краев
• Формат карты пластинки

III-V Чиплетты

• Материал: InP, GaAs или GaN
• Технология устройства
• Диаметр пластинки источника
• Размеры чиплет
• Конечная толщина штамповки
• Толерантность толщины
• Параллелизм спереди-назад
• Окончание сзади
• Металлургия с подшипниками
• Ограничения на выщелачивание края
• Сила шлифовки
• Критерии испытания известного хорошего загрязнения
• Максимальная температура связывания
• Требования к влажности и хранению

Процесс сборки

• Способ связи
• Переключение между соединениями
• Толерантность выравнивания
• Толерантность вращения
• Сила связывания
• Тепловой бюджет
• Процесс активации поверхности
• Недополнительный материал
• Критерии признания недействительными
• Требование теплового цикла
• Частота испытаний RF
• План квалификации надежности

Заявления

III-V чиплеты на радиочастотных кремниевых интерпозерах могут поддерживать:

• Модули фронт-энда Beyond-5G и 6G
• Беспроводные системы до терагерца
• оптические взаимосвязи AI-центр обработки данных
• Высокоскоростные сетевые коммутаторы
• Радар с фазовым массивом
• Автомобильный радар
• Спутниковая связь