Entwärmungsanalyse
- Thermografie eines TSV-Arrays
Neben den eigentlichen Entwärmungseigenschaften einer elektronischen Baugruppe im Sinne des 3D-Packagings sind die thermografischen Methoden geeignet inline-Prüfprozesse zu realisieren. Insbesondere der zerstörungsfreie Charakter dieser Methoden ist für diese Eignung entscheidend. Die Entwicklung eines solchen inline-Prüfprozesses bietet gerade im Zusammenhang mit den kostenintensiven Prozessen des 3D-Packagings ein hohes Potential die Qualität der Prozessschritte zu prüfen und so Kosten durch den Ausschluss mangelhafter Produkte aus dem Prozess zu senken. Speziell die Erzeugung der Durchkontaktierungen in den siliziumbasierten Halbleiterbauelementen und Zwischenverdrahtungsträgern ist ein kritischer Prozess. Ziel ist hier die Erzeugung metallgefüllter Durchkontaktierungen (sog. Trough Silicon Vias - TSV) mit immer kleineren Durchmessern aber möglichst hohen Aspektverhältnissen (Durchmesser zu Höhe) mittels Ätz- und Abscheidevorgängen. Dabei sind TSV-Dichten von >10.000 cm-2 angestrebt. Vor allem die Füllung der TSV mit einem gut leitenden Metall z.B. Kupfer stellt eine technologische Herausforderung dar und kann mit der Thermografie geprüft werden.
Innerhalb der Thermografieverfahren stellt die Lock-In-Technik eine geeignete Variante dar. Innerhalb des Projektes soll die Lock-In-Thermografie mit induktiver Anregung untersucht werden. Im Fokus der Untersuchungen stehen die Realisierung eines Anregungsaufbaus, die Analyse von Anregungsleistung und -frequenz sowie die Gestaltung & Optimierung von Spulengeometrien.
Lotkontakte in 3D-Mikrosystemen
- Aufsicht einer Zugprobenbruchfläche
Innerhalb eines 3D-Packages sind im Wesentlichen siliziumbasierte Halbleiterbauelemente (IC) im Stapel verarbeitet. Damit treten bei von außen bedingten Temperaturänderungen praktisch keine thermischen Dehnungsunterschiede auf. Jedoch können lokal hohe Verlustleistungen auftreten, z.B. an Prozessorkernen, welche zu Temperaturgradienten innerhalb des 3D-Packages und demnach Dehnungsunterschieden zwischen den gestapelten ICs führen. Für diesen Beanspruchungsfall thermisch induzierter Beanspruchungen der Lotkontakte zwischen den gestapelten ICs ist das Kriechverhalten der Lote entscheidend für die Lotkontaktlebensdauer. Durch die deutliche Miniaturisierung der Lotkontakte (d < 50 µm) entstehen im Verhältnis zum Kontaktvolumen große intermetallische Phasen an den Grenzflächen. Dadurch werden rein mechanische Beanspruchungen wie Vibration oder Schock, welche Charakteristisch sind für mobile Anwendungsfälle, lebensdauerkritisch. Die Beanspruchung durch Vibration oder Schock ist gekennzeichnet durch hohe Verformungsgeschwindigkeiten und Dehnraten innerhalb der Lotkontakte. Es ist daher eine Methodik zu entwickeln welche es erlaubt Lotcharakterisierung bei hohen Dehnraten durchzuführen. Die Untersuchung der Lotkontakteigenschaften unter diesen Bedingungen ist damit eine wichtige Fragestellung für die Abschätzung der Zuverlässigkeit von 3D-Mikrosystemen. Die Daten aus diesen Charakterisierungen sind Voraussetzung für die Realisierung von FE-Simulationen.
Nanoskalig gefüllte Polymere
- REM-Aufnahme von Silber-nano-Drähten
In den verschiedenen Konzepten für 3D-Packages werden die unterschiedlichsten Kontaktier- und Montagetechniken eingesetzt. Zum Erzeugen der elektrischen Kontakte kommen Miniaturlotkontakte, Drahtbondverbindungen, Cu-Cu-Direktkontakte, Klebeverbindungen oder auch formschlüssige Verbindungen zum Einsatz. Für eine mechanisch stabile Verbindung der gestapelten Halbleiterbauelemente wird der Fügespalt mit einem Polymer verfüllt. Die Idee gleichzeitig eine elektrische und mechanische Verbindung durch die Verwendung eines polymeren Films mit integrierten leitenden Strukturen zu erzeugen, soll in diesem Arbeitspaket verfolgt werden. Der Polymerfilm soll flächig mit senkrecht zur Filmebene ausgerichteten nanoskaligen Leitstrukturen ausgestattet sein. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer hochgenauen Positionierung des Films. Bis zur Montage des Films befindet sich dieser in einem teilgehärteten, klebrigen Zustand und kann so die zu verbindenden Bauelemente vorfixieren und schließlich mechanisch stabil verbinden.
Die folgenden Forschungsaufgaben werden bearbeitet: Die Erzeugung eines geeigneten Polymerfilms und die Herstellung nanoskaliger leitfähiger Strukturen. Die Integration dieser Nanostrukturen in den Polymerfilm. Die Technologie der Verarbeitung des nanoskalig gefüllten Polymerfilms. Die Charakterisierung der thermischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften des Polymerfilms. Die Charakterisierung der mechansichen Eigenschaften und des Zuverlässigkeitsverhaltens mit dem Polymerfilm realisierter gestapelter Aufbauten.
Alternative Aufbau- und Verbindungstechniken
- Ausnutzung des Kapillareffektes zur Reduktion der Verwölbung eines abgedünnten IC
Bei der Verarbeitung von Halbleiterbauelementen (Chips) und Zwischenverdrahtungsträgern (Interposer) zu Stapeln ist die Reduzierung der Stapelhöhe eine technologische Herausforderung. Diese wird durch die Verwendung von abgedünnten Chips und Interposern angestrebt. Ein weiterer Grund für die Verarbeitung abgedünnter Strukturen liegt in der immer höher werdenden Dichte der elektrischen Anschlüsse und damit Durchkontaktierungen (TSVs). Damit reduziert sich der Durchmesser der TSV und um dabei das Aspektverhältnis der TSV zu begrenzen muss deren Höhe, also die Dicke des Chips oder Interposers, reduziert werden. Ein Problem bei der Verarbeitung abgedünnter Strukturen ist deren Verwölbung durch Eigenspannungen, welche zu Beschädigungen der Bauelemente oder Nichtausbildung von Kontakten führen kann. Diese Verwölbungsproblematik soll hier aus zwei Perspektiven betrachtet werden. Zum einen ist die Erfassung der Verwölbung der zu verarbeitenden Interposer bzw. vereinzelten Chips Inhalt der Arbeit. Diese Vermessung kann einerseits der Prüfung der Verarbeitbarkeit im Sinne einer inline-Prüfung anderseits der Untersuchung von Konzepten zur Reduzierung der Verwölbung dienen. Die zweite Perspektive ist hier die Entwicklung von Montageverfahren unter Berücksichtigung der verwölbten Bauelemente. Wichtig ist hier das Handling der Bauelemente sowie die Reduzierung bzw. Unterdrückung der Verwölbung vor bzw. während der Verbindungsbildung. Sogenannte Prebonding-Techniken (frei übersetzt Vorverbindung) kommen hier in Frage.
Innerhalb des Stapelvorgangs führt die Erhöhung der Anschlussdichten weiterhin zu höheren Anforderungen an die Positionierung der Bauelemente zueinander. Selbstjustage (engl. self alignment) durch Ausnutzung physikalischer Prinzipien (Benetzung, Kapillareffekt) könnte die Anforderungen an die Positioniergenauigkeit der Maschinen reduzieren. Die Selbstjustageeffekte können neben der Ausrichtung in lateraler Richtung auch zur Korrektur der Verwölbung der Bauelemente in vertikaler Richtung genutzt werden.
Effiziente strukturmechanische Modellierung
- Spannungsverteilung in einem detailiert abgebildeten TSV
Through Silicon Vias (TSV) stellen als Durchkontaktierungstechnologie ein wesentliches Merkmal der 3D-Packages dar. Durch den Einsatz der TSVs kann der Flächenbedarf der Chipstapel deutlich reduziert werden. Die TSVs ermöglichen sehr kurze elektrische Verbindungen und damit eine hohe Taktrate ohne die ein Großteil der Anwendungen (Imagesensoren, Speichermodule, Logik-Speicher-Stapel) nicht sinnvoll erscheint. Die Erzeugung der TSVs stellt im Vergleich zu anderen Halbleiterprozessen einen nach wie vor neuen Prozess dar. Insbesondere da die TSVs bereits jetzt hohen Anforderungen an die Geometrie (minimaler Durchmesser bei maximaler Höhe) genügen müssen. Die Belastbarkeit und Zuverlässigkeit der TSVs selbst sowie die Auswirkung der TSV-Erzeugung auf umliegende Halbleiterstrukturen ist weitgehend unbekannt. Da eine messtechnische Analyse der TSVs praktisch nicht realisierbar ist, stellt die FEM ein effektives Werkzeug zur Untersuchung dar. Fragestellungen sind hier der zu implementierende Detailgrad an einzelnen TSV, der Vergleich unterschiedlicher TSV-Varianten, die Auswirkung der TSV auf benachbarte Strukturen, die durch den Herstellprozess eingeprägten Spannungszustände, die Analyse von TSV-Anordnungen auf das Verhalten des Gesamtaufbaus und die Wirkung von äußeren Beanspruchungen auf die TSVs. Von besonderer Bedeutung für die Verwendung der FE ist der Einsatz adäquater Materialmodellierungen. Da die Materialien in einem TSV als dünne Schichten (<100 nm…100 µm) vorliegen, können Materialdaten aus Experimenten an makroskopischen Proben keine Verwendung finden. Die Ermittlung bzw. Recherche nutzbarer Materialdaten aus Experimenten an mikroskopischen Proben bzw. dünnen Schichten muss daher stattfinden.
Fertingsmethoden- & Prozessfolgemodellierung
- Zeit, Kosten und Qualität werden in der Modellumgebung abgebildet
Die Modellierung der Prozessfolgen für ‚klassische’ Produkte der Halbleiterindustrie bestand in der Optimierung feststehender Prozessfolgen durch Variation der Losgrößen und Produktreihenfolgen. Typische Zielstellungen waren eine optimale Maschinenauslastung, eine minimierte Durchlaufzeit einzelner Produkte, eine minimierte Wartezeit bestimmter Produkte oder die Einhaltung von Produktionsterminen. Im Zusammenhang mit dem 3D-Packaging kann jetzt auch die eigentliche Prozessfolge als Optimierungsparameter einbezogen werden, da es für die Erzeugung der 3D-Packages unterschiedlichste Technologien gibt und immer noch weitere entwickelt werden.
Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Integration von Kostenmodellen. Dabei werden sowohl statische als auch dynamische Kosten berücksichtigt. Zu den statischen Kosten zählen beispielsweise Grundbetriebskosten, zu den dynamischen beispielsweise Verbrauchsmaterialien. Die Betrachtung des Fertigungsmodells erfolgt dabei determiniert oder stochastisch. Damit wird eine realistische und detaillierte Betrachtung des betrachteten Prozesses möglich. Das lässt schließlich eine Bewertung und einen Vergleich mehrerer Prozesskonzepte zu.
Durch die beiden Schwerpunkte Variation der Prozessfolge bzw. Technologie und Integration von Kostenmodellen kann letztlich auch die Auswahl einer Technologie unterstützt werden. Die Nutzung von modular gestalteten Prozessmodellen ermöglicht dabei eine hohe Flexibilität durch die Austauschbarkeit der Module, das Einfügen neuer Module oder die Auswahl und Betrachtung von Modulen eines Teilprozesses.
Mitarbeiter der Nachwuchsforschergruppe
Karsten Meier, Johannes Bohm, Matthias Graf, Iuliana Panchenko, Max Frömmig, Peter Sättler und Jan Lange
Förderung: Dieses Projekt wird gefördert durch Mittel der Europäischen Union (SAB-Projektnummer 080942881).
