Silicon Interposer Featuring Novel Electrical and Optical TSVs

Author(s):  
Paragkumar A. Thadesar ◽  
Muhannad S. Bakir

Three-dimensional (3D) integrated circuits (ICs) yield system level performance improvements by providing high-bandwidth communication as well as opportunity for heterogeneous integration. It is envisioned that an area array of 3D stacked ICs can be interconnected using dense fine-pitch electrical and photonic interconnects on a silicon interposer. This paper presents a mechanically robust “thick” silicon interposer with novel electrical through-silicon vias (TSVs) and optical TSVs. The novel electrical TSVs described include polymer-clad TSVs and polymer-embedded vias. An advantage of using thick silicon interposer is that microchannels can be integrated in the thick silicon interposer to transfer a coolant to the 3D ICs with interlayer microfluidic heat sink or for the direct integration of a microfluidic heat-sink in the silicon interposer. However, as the thickness of silicon interposer increases, TSV electrical parasitics increase. Moreover, the coefficient of thermal expansion (CTE) mismatch between the copper TSV and silicon causes reliability issues. To reduce TSV capacitance as well as to reduce TSV stresses, polymer-clad electrical TSVs were fabricated. Using the same photodefinable polymer used for the cladding of electrical TSVs, optical TSVs were fabricated and characterized.

Micromachines ◽  
2021 ◽  
Vol 12 (3) ◽  
pp. 295
Author(s):  
Pao-Hsiung Wang ◽  
Yu-Wei Huang ◽  
Kuo-Ning Chiang

The development of fan-out packaging technology for fine-pitch and high-pin-count applications is a hot topic in semiconductor research. To reduce the package footprint and improve system performance, many applications have adopted packaging-on-packaging (PoP) architecture. Given its inherent characteristics, glass is a good material for high-speed transmission applications. Therefore, this study proposes a fan-out wafer-level packaging (FO-WLP) with glass substrate-type PoP. The reliability life of the proposed FO-WLP was evaluated under thermal cycling conditions through finite element simulations and empirical calculations. Considering the simulation processing time and consistency with the experimentally obtained mean time to failure (MTTF) of the packaging, both two- and three-dimensional finite element models were developed with appropriate mechanical theories, and were verified to have similar MTTFs. Next, the FO-WLP structure was optimized by simulating various design parameters. The coefficient of thermal expansion of the glass substrate exerted the strongest effect on the reliability life under thermal cycling loading. In addition, the upper and lower pad thicknesses and the buffer layer thickness significantly affected the reliability life of both the FO-WLP and the FO-WLP-type PoP.


2012 ◽  
Vol 2012 (1) ◽  
pp. 001001-001009 ◽  
Author(s):  
Akihiro Horibe ◽  
Sayuri Kohara ◽  
Kuniaki Sueoka ◽  
Keiji Matsumoto ◽  
Yasumitsu Orii ◽  
...  

Low stress package design is one of the greatest challenges for the realization of reliable 3D integrated devices, since they are composed of elements susceptible to failures under high stress such as thin dies, metal through silicon vias (TSVs), and fine pitch interconnections. In variety of package components, an organic interposer is a key to obtain low cost modules with high density I/Os. However, the large mismatch in coefficient of thermal expansion (CTE) between silicon dies and organic laminates causes high stress in an organic package. The major parametric components in 3D devices are dies with /without Cu-TSVs, laminates, bumps, and underfill layers. Especially, the die thicknesses and underfill properties are ones of the parameters that give us some range to control as package design parameters. In general, the underfill material with a high modulus and a low CTE is effective in reducing the stress in solder interconnections between the Si die and the laminate. However, the filler content of underfill materials with such mechanical properties generally results in high viscosity. The use of high viscous materials in between silicon dies in 3D modules can degrade process ability in 3D integration. In this study, we show that the interchip underfills in 3D modules have a wider mechanical property window than in 2D modules even with fine pitch interconnections consisting mostly of intermetallic compounds (IMCs). Also the finite element analysis results show that the optimization of the structural or thermomechanical properties of organic laminates and interchip underfill contributes to reduction of stressing thinned silicon dies which may have some risks to the device performance.


Author(s):  
Xi Liu ◽  
Qiao Chen ◽  
Venkatesh Sundaram ◽  
Sriram Muthukumar ◽  
Rao R. Tummala ◽  
...  

Through-silicon vias (TSVs), being one of the key enabling technologies for 3D system integration, are being used in various 3D vertically stacked devices. As TSVs are relatively new, there is not enough information in available literature on the thermo-mechanical reliability of TSVs. Due to the high coefficient of thermal expansion (CTE) mismatch between Si and the Cu vias, “Cu pumping” will occur at high temperature and “Cu sinking” will occur at low temperature, which may induce large stress in SiO2, interfacial stress at Cu/SiO2 interface and plastic deformation in Cu core. The thermal-mechanical stress can potentially cause interfacial debonding, cohesive cracking in dielectric layers or Cu core, causing some reliability issues. Thus, in this paper, three-dimensional thermo-mechanical finite-element models have been built to analyze the stress/strain distribution in the TSV structures. A comparative analysis of different via designs, such as circular, square, and annular vias has been performed. In addition, defects due to fabrication such as voids in the Cu core during electroplating and Cu pad undercutting due to over-etching are considered in the models, and it is seen that these fabrication defects are detrimental to TSV reliability.


Author(s):  
Yasuhiro Kawase ◽  
Makoto Ikemoto ◽  
Masaya Sugiyama ◽  
Hidehiro Yamamoto ◽  
Hideki Kiritani

Three dimensional integrated circuits (3D-IC) have been proposed for the purpose of low power and high performance in recent years. Pre-applied inter chip fill is required for fine pitch interconnections, large chips, and also thin chips. In addition to them, pre-applied joining process with high thermal conductive inter chip fill (HT-ICF) is strongly required for the cooling of 3D-IC. Some kinds of matrix resins and thermal conductive fillers were simulated and evaluated for pre-applied ICF. As a result, matrix and cure agent appeared to be important to both pre-applied ICF process compatibility and thermal conductivity, so that we’d selected epoxy type matrix based on controlling super molecular structure due to its mesogen unit. And not only matrix but also filler appeared to be the key to improve thermal conductivity for pre-applied ICF at the same time. The thermal conductivity of conventional silica filler was only 1W/mK, so that, taking into account of thermal conductivity, density and its stability, we’d selected aluminum oxide and boron nitride as thermal conductive filler and optimized HT-ICF for pre-applied process. After composite was mixed and cured, some physical properties were measured and thermal conductivity was 1.8W/mK, CTE was below 21ppm/K and Tg was 120°C. Furthermore, new high thermal conductive filler was also studied. We’d synthesized completely new spherical BN (diameter <5um) and applied it to HT-ICF and the thermal conductivity was almost two times higher than conventional BN. In this study, we confirmed ICF physical characteristics and its pre-applied joining for 3D-IC and void-less joining was also discussed.


Author(s):  
Ashok Raman ◽  
Marek Turowski ◽  
Monte Mar

This paper presents full-chip scale detailed thermal simulations of three-dimensional (3D) integrated circuit (IC) stacks. The inter-layer dielectric (ILD) and inter-metal dielectric (IMD) materials inside 3D IC stacks may cause extensive localized heating. The influence of multiple layers of dielectrics on heat trapping inside the 3D stack is analyzed. Different methods to minimize such localized heating are studied. It is shown that the use of thermal vias is very effective in heat dissipation from the hot spots. Comparisons are made between several 3D IC configurations to verify these conclusions.


2019 ◽  
Author(s):  
Παναγιώτης Γεωργίου

Διανύουμε ήδη την εποχή του "Ίντερνετ των Πραγμάτων". Οι κοινές συσκευές που χρησιμοποιούμε καθημερινά, συνδέονται μεταξύ τους και γίνονται "εξυπνότερες" με ραγδαίους ρυθμούς. Σε κάθε τέτοια συσκευή βρίσκεται ένα Σύστημα σε Ολοκληρωμένο (Systems-On-Chip ή SoC). Το SoC εξελίσσεται συνεχώς, για να ικανοποιηθούν οι συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις της νέας εποχής. Τα τρι-διάστατα ολοκληρωμένα κυκλώματα (three-dimensional integrated circuits - 3D-ICs) είναι μια υποσχόμενη λύση για να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις τις νέας εποχής και φαίνεται να εξασφαλίζουν τη συνέχιση του Νόμου του Moore στο άμεσο μέλλον. Τα 3D-ICs πετυχαίνουν υψηλότερη πυκνότητα πυλών και καλύτερη απόδοση από τα συμβατικά SoC και μειώνουν το κόστος διασύνδεσης και κατανάλωσης. Πρόσφατα, οι κατασκευαστικές εταιρείες ολοκληρωμένων συστημάτων κυκλοφόρησαν προϊόντα βασισμένα σε 3D-ICs. Η έρευνα αυτή εστιάζει στην ανάπτυξη νέων αρχιτεκτονικών μηχανισμού πρόσβασης ελέγχου (Test Access Mechanisms - TAMs) και νέων μεθόδων χρονοπρογραμματισμού ελέγχου ορθής λειτουργίας για 3D-SoCs, οι οποίες εκμεταλλεύονται την υψηλή ταχύτητα που προσφέρουν οι ειδικές κάθετες διασυνδέσεις μέσω-πυριτίου (Through Silicon Vias - TSVs), ενώ η κατανάλωση ισχύος και η θερμότητα πρέπει να διατηρηθούν κάτω από ορισμένα επίπεδα. Εισάγουμε μία νέα αρχιτεκτονική TAM για 3D SoCs, η οποία ελαχιστοποιεί το χρόνο ελέγχου ορθής λειτουργίας, το πλήθος των TSVs και τις γραμμές της αρχιτεκτονικής TAM που χρησιμοποιούνται για να μεταφερθούν τα δεδομένα ελέγχου. Ο χρονοπρογραμματισμός του ελέγχου ορθής λειτουργίας υπολογίζεται από μία αποδοτική μέθοδο χρονικής πολυπλεξίας και μία πολύ αποδοτική μέθοδο βελτιστοποίησης που βασίζεται στους αλγορίθμους rectangle-packing και simulated-annealing. Πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν έως και 9.6 φορές εξοικονόμηση στο χρόνο ελέγχου με την προτεινόμενη μέθοδο, ειδικά κάτω από αυστηρά όρια για την κατανάλωση ισχύος και τη θερμότητα. Η προηγούμενη μέθοδος είναι συμβατή μόνο με TAMs που βασίζονται σε αρτηρίες (buses), οι οποίες απαιτούν διασυνδέσεις μεγάλου μήκους και πολλά buffers σε κάθε επίπεδο του 3D-IC, επομένως δεν καταφέρνουν να εκμεταλλευτούν πλήρως τις υψηλές συχνότητες των TSVs. Προτείνουμε μία νέα αρχιτεκτονική TAM βασισμένη στη χρονική πολυπλεξία, που χρησιμοποιεί σειριακές αλυσίδες (daisy-chains) για να ξεπεράσουμε τους περιορισμούς της προηγούμενης μεθόδου. Η μέθοδος αυτή προσφέρει μεγαλύτερα κέρδη όσον αφορά το χρόνο ελέγχου ορθής λειτουργίας και το κόστος διασύνδεσης. Η έρευνα αυτή εστιάζει στη βελτίωση ανίχνευσης σφαλμάτων συσκευών βασιζόμενων σε επεξεργαστή. Οι ολοένα αυξανόμενες απαιτήσεις της αγοράς για υψηλότερη υπολογιστική απόδοση σε μικρότερο κόστος και χαμηλότερη κατανάλωση ισχύος, οδηγεί τους κατασκευαστές στην ανάπτυξη νέων μικροεπεξεργαστών, που εισάγουν νέες προκλήσεις στον έλεγχο συσκευών βασιζόμενων σε επεξεργαστή. Η ανάγκη ελέγχου των συσκευών αυτών κατά τη διάρκεια της κανονικής τους λειτουργίας, επιβάλλουν τη συμπληρωματική χρήση μεθόδων ελέγχου που δεν επηρεάζουν τη λειτουργία, όπως ο «αυτοέλεγχος βασισμένος σε λογισμικό» (Software-Based Self-Test - SBST). Οι περισσότερες τεχνικές SBST στοχεύουν μόνο το μοντέλο σφαλμάτων stuck-at, που δεν αρκεί για την ανίχνευση πολλών σφαλμάτων. Επίσης, οι τεχνικές SBST απαιτούν εκτενή ανθρώπινη ενασχόληση με μεγάλους χρόνους ανάπτυξης των προγραμμάτων ελέγχου. Επιπλέον, περιλαμβάνουν την κοστοβόρα, από άποψη υπολογιστική ισχύος, εξομοίωση σφαλμάτων SoCs με εκατομμύρια πύλες για εκατομμύρια κύκλους ρολογιού, χρησιμοποιώντας πολλαπλά μοντέλα σφαλμάτων και εξειδικευμένους λειτουργικούς εξομοιωτές. Εισάγουμε την πρώτη μέθοδο που δεν μεροληπτεί υπέρ κάποιου συγκεκριμένου μοντέλου σφαλμάτων. Η μέθοδος αυτή προσφέρει σύντομο χρόνο δημιουργίας προγραμμάτων ελέγχου, υπό αυστηρό περιορισμό στο χρόνο ελέγχου ορθής λειτουργίας και στο μέγεθος των προγραμμάτων ελέγχου. Τα προγράμματα ελέγχου αξιολογούνται από μία νέα αποδοτική πιθανοτική μέθοδο SBST, εκμεταλλευόμενη την αρχιτεκτονική του επεξεργαστή, καθώς και τη netlist του επεξεργαστή σε επίπεδο πυλών που έχει προκύψει από σύνθεση. Η προτεινόμενη μετρική που βασίζεται στα output deviations είναι πολύ γρήγορη καθώς δεν απαιτεί τη χρονοβόρα διαδικασία της εξομοίωσης σφαλμάτων και μπορεί να εφαρμοστεί σε οποιαδήποτε μέθοδο που βασίζεται στην τεχνική SBST.


ETRI Journal ◽  
2014 ◽  
Vol 36 (6) ◽  
pp. 931-941 ◽  
Author(s):  
Kyungin Cho ◽  
Cheoljon Jang ◽  
Jong-wha Chong

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document