More than Moore, czyli 3D IC - omijanie ograniczeń prawa Moore'a

Miniaturyzacja zawsze była kołem zamachowym rozwoju elektroniki. Urządzenia mobilne, aplikacje IoT w ostatnich latach jeszcze bardziej wyniosły na piedestał oczekiwania użytkowników, aby mieć więcej funkcjonalności w coraz mniejszym sprzęcie. Jeszcze większa miniaturyzacja jest koniecznością, żeby osiągać większą wydajność i przepustowość magistral i mniejsze opóźnienia propagacji.

Posłuchaj
00:00

Połączenia sygnałowe muszą być jak najkrótsze i jeśli całość mieści się w chipie, to jest to optymalne rozwiązanie. Jednym ze sposobów zwiększania stopnia upakowania w obszarze technologii półprzewodnikowej jest tzw. integracja homogeniczna, której przykładem są chipy SoC. W nich na jednej monolitycznej strukturze umieszcza się procesor, pamięć, interfejs komunikacyjny itd., składając z komponentów logicznych (bloków IP) cały system.

Tak wytwarza się dzisiaj mnóstwo zaawansowanych układów scalonych, ale coraz częściej słychać opinie, że SoCe się już kończą, bo cały czas są one jedną płaską i dużą strukturą. Ich producenci mają problemy z uzyskiem, a poza tym dochodzą inne kłopoty, jak chociażby to, że nie dają możliwości łączenia różnych technologii półprzewodnikowych oraz integracji gotowych produktów różnych dostawców.

Miniaturyzacja nowoczesnych platform półprzewodnikowych wymusza to, by w jednej obudowie był procesor, duża pamięć, czujniki oraz inne bloki funkcjonalne. Aby to wszystko pomieścić bez zajmowania dodatkowej powierzchni na PCB, konieczna stała się rozbudowa w pionie, a więc zmiana modelu produkcji na układy scalone trójwymiarowe (3D IC). Różnią się one tym od znanych rozwiązań SiP (System in Package), że nie tylko nie są płaskie, ale też nie bazują na połączeniach za pomocą drutu (poprzez bonding), jak było w przypadku rozwiązań MCM znanych już w latach 70. ubiegłego wieku. Wracamy do dawnych pomysłów, bo przelotki przez strukturę oraz warstwy podłożowe (interposer), na których są one mocowane, dają nowe możliwości. Poza mechaniczną stabilizacją podłoża rozprowadzają sygnały między strukturami oraz tworzą pola do kontaktów kulkowych, jak w obudowach BGA.

Układy 3D pozwalają na łączenie różnych technologii, produktów gotowych, które kupuje się w wersjach nieobudowanych (np. czujników MEMS), z blokami IP własnymi i kupionymi na rynku. To tzw. integracja heterogeniczna, a więc bardzo różnorodna i bez wielu ograniczeń technologicznych. Razem z chipami na podłożu montowane są elementy pasywne, zarówno dyskretne, jak i wersje zintegrowane, np. kompletne sieci filtrów, układy dopasowujące antenę, cewki planarne. One też trafiają do wnętrza obudów. Taki sposób zapewnia większy uzysk produkcyjny, bo jak wiadomo, duże struktury mają z tym problem.

Skomplikowanie technologii półprzewodnikowej bardzo szybko się zwiększa, tak samo jak liczba pojawiających się innowacji i równoważnych funkcjonalnie rozwiązań. Wywołuje to większą presję na współpracę między producentami i zespołami projektantów z różnych firm, stąd możliwość kompozycji układu scalonego w oparciu nie tylko o własne struktury, jest dzisiaj już bardzo powszechna.

Pionowe elementy są łączone za pomocą przelotek przez krzem TSV, kontakty z interposerem za pomocą kulek, jak w BGA, a np. MEMS-y za pomocą bondingu. Magistrale połączeń (redistribution layers, RDL) wykonuje się z użyciem miedzianych ścieżek na podłożu interposera. Ogólnie schematy ułożenia takich struktur są skomplikowane, a rozbudowa wcale nie jest realizowana jedynie do góry.

Wydaje się, że czas, gdy w obudowie była tylko jedna struktura, powoli się kończy. Koszty rozwoju i ograniczenia w skalowaniu technologii krzemowej nie pozwalają na miniaturyzację poprzez coraz mniejszy wymiar charakterystyczny procesu. Chipy 3D omijają ograniczenia prawa Moore'a, stąd rozwiązania te nazywa się "More than Moore". Rozwiązania 3D bazujące na interposerze jako podłożu, na którym mocuje się i spiętrza struktury, mają jeszcze dwie zalety – modułowość i skalowalność. Zmiana czegokolwiek w SoC oznaczała konieczność wymiany masek i powtórki produkcji. W piętrowym układzie można będzie poprawić jedynie wadliwy element, a jeśli zostanie zostawione wolne miejsce, to niewielkim kosztem (bez udziału foundry) będzie można chipy customizować.

Robert Magdziak

Powiązane treści
Micron dostarcza 176-warstwowe układy 3D NAND flash
Czy prawo Moore'a wciąż obowiązuje?
Samsung opracował technologię pakowania struktur chipów 3D-TSV
YMTC oferuje 64-warstwowe pamięci 3D NAND o pojemności 256 GB
Toshiba Memory i Western Digital oficjalnie otwierają nową fabrykę układów NAND flash 3D
Zobacz więcej w kategorii: Opinie
Projektowanie i badania
Czy oprogramowanie narzędziowe nie ma wartości?
Komunikacja
Nowe podejście do rozpoznawania mowy - przetwarzanie tylko lokalnie!
Komponenty
Indeks, symbol, oznaczenie, czyli jak nazwać produkt
Projektowanie i badania
Świat poszukuje kompetentnych inżynierów elektroników. Chiny i Tajwan w centrum walki o talenty
Komponenty
Wojna technologiczna a stare technologie procesowe
Komponenty
GPSR i NIS 2 zmieniają warunki w dystrybucji
Zobacz więcej z tagiem: Produkcja elektroniki
Gospodarka
SK hynix dołącza do Samsunga jako największy producent pamięci na świecie
Gospodarka
Microchip zawiera umowę partnerską z Delta Electronics w sprawie rozwiązań z węglika krzemu
Gospodarka
TSMC przebija prognozy i osiąga rekordowy kwartalny zysk w wysokości 13,5 mld dolarów

Komponenty indukcyjne

Podzespoły indukcyjne determinują osiągi urządzeń z zakresu konwersji mocy, a więc dążenie do minimalizacji strat energii, ułatwiają miniaturyzację urządzeń, a także zapewniają zgodność z wymaganiami norm w zakresie EMC. Stąd rozwój elektromobilności, systemów energii odnawialnej, elektroniki użytkowej sprzyja znacząco temu segmentowi rynku. Zapotrzebowanie na komponenty o wysokiej jakości i stabilności płynie ponadto z aplikacji IT, telekomunikacji, energoelektroniki i oczywiście sektorów specjalnych: wojska, lotnictwa. Pozytywnym zauważalnym zjawiskiem w branży jest powolny, ale stały wzrost zainteresowania klientów rodzimą produkcją pomimo wyższych cen niż produktów azjatyckich. Natomiast paradoksalnie negatywnym zjawiskiem jest fakt, że jakość produktów azjatyckich jest coraz lepsza i jeśli stereotyp "chińskiej bylejakości" przestanie być popularny, to rodzima produkcja będzie miała problem z utrzymaniem się na rynku bez znaczących inwestycji w automatyzację i nowe technologie wykonania, kontroli jakości i pomiarów.
Zapytania ofertowe
Unikalny branżowy system komunikacji B2B Znajdź produkty i usługi, których potrzebujesz Katalog ponad 7000 firm i 60 tys. produktów