Verso l’integrazione 3D dei moduli SiP


L'integrazione 3D ed il packaging ad alta densità diventano sempre più importanti nello sviluppo dei sistemi futuri portatili per le telecomunicazioni. Questi sistemi usano una quantità considerevole di componenti passivi di alta qualità, i quali devono essere integrati in modo ottimale. Fra i vari approcci per l'integrazione, l'adozione delle tecnologie a film sottile applicate ad un substrato di interposizione sembra quello più appropriato. Quando si usa il silicio ad alta resistività (HRSi, High-Resistivity Silicon) come materiale di interposizione, risulta praticabile l'integrazione 3D di moduli system-in-a-package. I substrati HRSi consentono l'integrazione di connessioni attraverso i wafer (through-wafer vias), che può fornire interconnessioni verticali per le applicazioni RF e digitali ad alta velocità, le quali consentono l'uso di componenti e di circuiti passivi a microstrisce. In questo articolo sono presentate le principali caratteristiche di una simile piattaforma tecnologica system-in-a-package basata sui substrati HRSi a film sottile. Viene inoltre data dimostrazione dell'integrazione di componenti passivi di alta qualità a varie frequenze, che vanno dalle frequenze RF fino alle frequenze alle onde millimetriche. L'uso di questa piattaforma abilitante, in combinazione con tecnologie ad essa relative per integrare ad esempio gli RF MEMS ed i componenti attivi, costituisce un'alternativa promettente per raggiungere gli obiettivi attuali di miniaturizzazione.

Il SIP al servizio del wireless

La richiesta da parte degli utenti di una disponibilità istantanea di voce e dati in ogni luogo ed in ogni istante, spinge verso lo sviluppo di nuovi sistemi wireless abilitati dall'attuale rivoluzione delle tecnologie wireless. Tuttavia, i requisiti complessivi per questi sistemi sono diventati sempre più stringenti: dimensioni e peso inferiori, una larghezza di banda maggiore e consumi più bassi ad un costo in continua diminuzione. Uno dei possibili aspetti che possono frenare una loro ulteriore evoluzione potrebbe essere l'integrazione di componenti passivi di alta qualità, che sono presenti in grande numero in questi sistemi portatili per le comunicazioni. Questi ultimi sono oggi difficili o addirittura impossibili da integrare su chip a causa dei severi vincoli sulle dimensioni, mentre i dispositivi passivi discreti sono soggetti a prestazioni inferiori, ad un aumento delle dimensioni complessive del package e ad una minore affidabilità a causa del numero di interconnessioni aggiuntive. Una soluzione efficace per superare queste limitazioni consiste nell'usare tecnologie a film sottile applicate al substrato di trasporto del sottosistema. Funzioni come accoppiatori, filtri, reti di adattamento a larga banda, ecc. sono facilmente integrate usando queste tecnologie su un substrato di interposizione altamente resistivo (come il vetro a basso costo sull'HRSi, chiamato in questa configurazione RF-system-in-a-package (RF-SiP) o MCM-D). Un vantaggio importante di un simile approccio è la definizione con alta precisione delle configurazioni (linee, condensatori, induttori, resistori...) inerenti alla tecnologia di fabbricazione. La tecnologia a film sottile multistrato comporta ulteriori fasi di processo a bassa temperatura.
Lo studio presentato in questo articolo compie un passo successivo descrivendo lo sviluppo di una piattaforma tecnologica che rende possibile l'integrazione 3D di moduli SiP. L'integrazione 3D in combinazione con il packaging ad alta densità riveste un ruolo crescente nei sistemi di telecomunicazioni di oggi. Le principali caratteristiche di questa tecnologia abilitante includono: (1) l'uso dei substrati HRSi; (2) la passivazione della superficie del silicio e (3) la realizzazione di connessioni verticali (vias) attraverso il substrato.

Dal vetro ai substrati di trasporto in silicio ad alta resistività

La tecnologia a film sottile può essere generalmente considerata come una tecnologia assodata. Ad esempio, la tecnologia a film sottile di IMEC fa uso di strati alternati di BCB (Benzociclobutene, k=2,65) e di rame elettrodepositato (spesso 3 - 20 μm), combinati con resistori di precisione al TaN e a condensatori ad alta densità al Ta2O5. Gran parte degli sviluppi sono stati basati negli anni passati sulla tecnologia MCM-D su vetro AF45 - che è un substrato a basso costo e a basse perdite - usando progetti basati su guide d'onda coplanari (CPW, Coplanar Waveguide). Le funzioni passive dall'RF alla banda V sono state integrate con successo dimostrando la fattibilità della tecnologia per integrare sistemi di front-end ad alte prestazioni [1]. Sono stati sviluppati diversi dimostratori, come un circuito RF Bluetooth e un ricevitore di front-end per WLAN (Wireless Local Area Network) da 5,2 GHz. Tuttavia, in vista dell'esigenza attuale di integrazione 3D e di packaging ad alta densità, l'uso del vetro AF45 pone di fronte a numerosi svantaggi. In primo luogo, è difficile integrare le connessioni di via del substrato ed effettuare l'assottigliamento e la microlavorazione dei wafer.
In secondo luogo, la conducibilità termica ridotta del vetro limita la quantità di potenza che esso può gestire. L'HRSi è un materiale alternativo adeguato che può fornire queste funzionalità assieme a prestazioni elevate. La tecnologia MCM-D su vetro è stata quindi trasferita su un substrato di trasporto all'HRSi (ρ>4kΩcm), consentendo l'integrazione di componenti e di circuiti passivi di alta qualità. Ad esempio, sono state dimostrate le prestazioni di uno splitter di potenza in tecnologia MCM-D da 7GHz ed un filtro passa banda distribuito da 50 GHz [2].

La passivazione superficiale del silicio ad alta resistività

Sebbene l'HRSi abbia proprietà eccellenti come materiale di substrato, la presenza inevitabile di cariche libere all'interfaccia Si-SiO2 compromettono drasticamente le proprietà RF del materiale HRSi volumetrico. Un metodo per risolvere questo problema consiste nell'impiantare una dose elevata di atomi, come l'Ar, nell'interfaccia Si-SiO2 [3]. Questo genera trappole nel substrato di Si che impediscono alle cariche di muoversi. La superficie rimane passivata anche dopo la lavorazione a film sottile [4]. Questa tecnica di passivazione è stata applicata ai wafer che sono soggetti a questo ulteriore studio.

La tecnologia basata sulle connessioni verticali attraverso il substrato

Un passo ulteriore verso l'integrazione 3D dei moduli SiP è la capacità di generare le connessioni verticali (vias) attraverso il substrato. I “via” integrati possono fornire interconnessioni verticali per applicazioni RF o ad alta velocità, che costituiscono un blocco di base critico all'interno del concetto 3D SiP. Essi consentono inoltre l'uso di componenti passivi e di circuiti basati su microstrisce all'interno della piattaforma MCM-D a film sottile. L'uso di componenti a microstrisce ha alcuni vantaggi significativi sulle linee di trasmissione a guida d'onda coplanari (come quelle usate nella tecnologia MCM-D su vetro), come sarà evidenziato in seguito.
Sono disponibili resistori al nitruro di tantalio (TaN) con un valore tipico di 25 Ω/quadro, assieme a condensatori di media densità. Sul lato posteriore del wafer è usato uno strato di rame per il piano di massa dei componenti a microstrisce, della metallizzazione dei via e delle possibili interconnessioni ad altri componenti del SiP. I via hanno un diametro inferiore di circa 100 μm ed un diametro superiore di 50 μm. Tutti i componenti passivi standard possono essere integrati in questa piattaforma tecnologica. È possibile usare le tecniche flip-chip e wirebond per includere i componenti attivi nei progetti e mettere a punto sistemi completi.

Dimostratori

I resistori a film sottile, i condensatori, gli induttori e le linee di trasmissione di alta qualità sono stati integrati in una configurazione a microstrisce [5]. Il condensatore al Ta2O5 ha un fattore di qualità superiore a 180, mentre il Q del condensatore BCB é di circa 120, e si ottengono valori superiori per condensatori più piccoli. L'induttore a spirale a microstrisce da 1 nH fornisce un Q massimo di circa 50. Dato che la tecnologia MCM-D si rivolge ad applicazioni che vanno dalle frequenze alle microonde più basse fino alle frequenze delle onde millimetriche, le prestazioni dei componenti ad elementi distribuiti sono ugualmente decisive. Al fine di valutare le prestazioni di una linea a microstrisce realizzata in tecnologia MCM-D su HRSi, quest'ultima è stata confrontata con una linea CPW realizzata su vetro AF45.
La linea a microstrisce presenta un fattore di qualità 2,5 volte rispetto a quello di una linea CPW con dimensioni confrontabili realizzata su un vetro AF45. Questo è un vantaggio importante legato all'uso dei circuiti di tipo a microstrisce.
Le buone prestazioni della linea di trasmissione a microstrisce permettono l'integrazione di elementi di circuito di alta qualità come i filtri. Qui, è presentata l'integrazione sia di un filtro passa banda concentrato da 5,2 GHz, sia di un filtro passa banda a linee accoppiate da 31 GHz. Per entrambi i filtri a passa banda, che hanno dimensioni pari a 2,4 × 1,5 mm2, è misurata una banda 3dB del 10 % e una perdita da inserzione di 4,5 dB. Il filtro passa banda a linee accoppiate a microstrisce, che misura 3,1 × 1,2 mm2, presenta una banda relativa di circa il 5,1% e una perdita da inserzione di 2,7 dB. Questi risultati dimostrano la versatilità di questa tecnologia per integrare circuiti passivi ad alte prestazioni che vanno dalle frequenze alle microonde più basse fino alle frequenze alle onde millimetriche.

Conclusioni e prospettive future

È stata dimostrata la realizzazione di una piccola connessione verticale di massa (con diametro da 100 μm) attraverso l'integrazione di componenti e di circuiti passivi in una configurazione a microstrisce. È stata dimostrata l'integrazione di induttori a microstrisce, di condensatori ad alta densità, di resistori e di linee di trasmissione, assieme ai filtri ad elementi concentrati da 5,2 GHz e ad elementi distribuiti da 31 GHz, che provano la versatilità della tecnologia e la fattibilità dei via di massa.
Questo studio significa un passo in avanti importante nello sviluppo di moduli RF 3D a film sottile. I componenti ed i circuiti passivi basati su microstrisce possono essere integrati con successo all'interno della piattaforma tecnologica MCM-D a film sottile. Le tecniche flip-chip e wirebond possono essere usate per includere componenti attivi nei progetti e mettere a punto sistemi completi, i quali combinano le tecnologie appropriate che formano un system-in-a-package. Disponendo di ciascun componente del sistema realizzato nella tecnologia più appropriata, è possibile massimizzare le prestazioni complessive. La stessa piattaforma tecnologica è anche la base dell'attuale sviluppo della tecnologia RF- MEMS e “above-IC” di IMEC. Come obiettivo finale, saranno combinate le tecnologie per integrare componenti passivi a film sottile, RF-MEMS ed attivi per realizzare nuovi moduli altamente funzionali.
Questi risultati sono stati ottenuti nell'ambito del programma APIC (Advanced Packaging and Interconnect Center) di IMEC che persegue la ricerca e sviluppo sui package avanzati.

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