Infineon stellt Verfahren für 3D-Chip-Integration vor

SOLID-Technologie verbindet ICs mit speziellem Lötverfahren vertikal

Infineon Technologies hat jetzt mit der SOLID-(Solid-Liquid-Interdiffusion-)Technologie ein neues Verfahren für die 3D-Chip-Integration vorgestellt. Wurden bei bisherigen Chip-Stapeltechniken die Halbleiter über Klebe- und Wire-Bond-Verfahren vertikal verbunden, so nutzt die neu entwickelte Technologie ein spezielles Lötverfahren - das Diffusionslöten. Diese Technik kommt mit sehr kleinen Kontaktflächen aus und soll daher einen entscheidenden Durchbruch auf dem Weg zu System-in-Package-Lösungen darstellen.

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So stehe mit der neuen Technologie eine preiswerte, leistungsfähige Alternative zum ständig steigenden Verbindungsaufwand bei planaren Lösungen mit komplexen Chips zur Verfügung. Als erster Baustein auf Basis dieser 3D-Integrationstechnologie wurde bei Infineon jetzt zu Demonstrationszwecken ein Chipkarten-Controller hergestellt.

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Komplexe ICs sind in Gehäusen mit teilweise über tausend Pins bzw. Balls untergebracht und müssen auf Multilayer-Boards mit hohem Layout-Aufwand miteinander verbunden werden. Darüber hinaus führen bei Frequenzen im GHz-Bereich die parasitären physikalischen Effekte durch die relativ langen Leiterbahnen und großen Lötkontakte zu Einschränkungen bei der Signalintegrität. Abhilfe soll hier laut Infineon die dreidimensionale Halbleitertechnologie mit der unmittelbaren vertikalen Chip-to-Chip-Verbindung schaffen. Durch die sehr kurzen Verbindungen und die hohe Verbindungsdichte würden sich zahlreiche Vorteile wie geringerer Platzbedarf, reduzierte Signalstörungen, Kostensenkungen, geringere Leistungsaufnahme, höhere Geschwindigkeit und einfacheres Board-Layout ergeben.

"War die letzte Dekade der Halbleiter-Entwicklung durch die Integration von kompletten Systemfunktionen auf einem Chip gekennzeichnet, stehen wir jetzt vor einem weiteren bedeutenden Integrationsschritt, vom System-on-Chip (SoC) hin zum System-in-Package (SiP)", so Dr. Sönke Mehrgardt, im Vorstand von Infineon verantwortlich für Technologie. "Mit der von uns entwickelten Technologie können wir die Verbindungsproblematik für schnelle und sichere Chip-to-Chip-Kommunikation in komplexen elektronischen Systemen lösen."

Die Bezeichnung SOLID ist dabei von dem angewandten Lötverfahren, dem Diffusionslöten (solid-liquid interdiffusion), abgeleitet, mit dem zwei Chips an ihren Oberseiten verbunden werden. Einzelne Chips (z.B. Controller) werden auf einen Wafer mit anderen Chips (z.B. Speicher) aufgebracht, wobei die vereinzelten Chips umgedreht (Flip-Chip) werden, so dass eine Face-to-Face-Anordnung entsteht. Nach einer dünnen Kupferschicht für die Metallisierung wird eine ebenfalls sehr dünne Schicht (3 µm) Lötzinn zwischen die beiden Chips aufgetragen. Auf der Kupfer-Metallisierungsebene werden die innen liegenden sehr kleinen Kontakt-Pads (10 µm) für die Verbindung der Chips untereinander und die seitlich angeordneten Pads für die Verbindung des Kombi-Chips mit dem Gehäuse - mittels Wirebonding - realisiert. Auf der Kupferschicht können auch Jumper und passive Komponenten wie Spulen, Streifen- oder Verzögerungsleitungen integriert werden. Bei 270 °C bis 300 °C und unter 3 Bar Druck werden die beiden Chips dann zusammengelötet und haften dauerhaft aneinander. Obwohl die Prozesstemperatur mit weniger als 300 °C relativ niedrig sei, entstehe eine stabile intermetallische Phase, die auch hohen Temperaturen (über 600 °C) widersteht, so Infineon.

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Für bestimmte Anwendungen, wie etwa in Chipkarten, darf die vertikale Chip-Kombination eine bestimmte Höhe nicht überschreiten. Deshalb reduziert Infineon für das Face-to-face-Verfahren die Wafer-Dicke von 120 µm auf 60 µm. Das "Chip-Sandwich" soll letztendlich in gängigen Chip-Gehäusen Platz finden, wobei fünfzig Prozent des Materials und der Kosten für die Gehäuse eingespart werden. Infineon stapelt vorerst mit dem SOLID-Verfahren zwei Chips bzw. Wafer übereinander, während prinzipiell auch mehrere Ebenen möglich seien.

Die elektrische Verbindung zwischen den Chips wird beim SOLID-Verfahren über die innen liegenden Pads der Kupferschichten realisiert. Diese haben im Vergleich zu BGA-Gehäusen (150 µm) oder den Pads bei der herkömmlichen Stapeltechnik (100 µm) ein deutlich kleineres Kontaktraster (20 µm). Die sehr geringen parasitären Induktivitäten und Kapazitäten erlauben hohe Signalgeschwindigkeiten bei hoher Signalintegrität.

Während bei den bisherigen Embedded-Lösungen immer ein Kompromiss bei den verwendeten Prozessen eingegangen werden muss - will man z.B. Speicherfunktionen mit Logik kombinieren - könne bei der SOLID-3D-Integration jeweils der optimierte Prozess für die einzelnen Chips genutzt werden. Durch die mögliche Kombination von Mischtechnologien (Logik, Speicher, Sensoren, Bipolar, CMOS, verschiedene Generationen und Wafergrößen, etc.) wird einerseits die Leistungsfähigkeit optimiert, während die Verwendung von Standard-Prozessen für die Herstellung der jeweiligen Chips zudem die Kosten senke.

Als ersten Prototyp auf Basis der SOLID-Technologie hat Infineon jetzt einen Chipkarten-Controller gefertigt. Unter Ausnutzung der 3D-Integration habe dieser Controller u.a. eine deutlich höhere Speicherkapazität als herkömmliche Produkte. Neben den Chipkarten stelle das SOLID-Verfahren aber auch eine interessante Alternative für Mobilfunk-Applikationen dar.

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