التوصيل عبر السيليكون

📅 آخر تحديث: ٢٢ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٢ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة

تُستخدم تقنية TSVs بواسطة رقائق DRAM المكدسة بالاشتراك مع واجهة ذاكرة عالية النطاق الترددي (HBM).

في الهندسة الإلكترونية ، يُعرف الوصل الرأسي عبر السيليكون ( TSV ) أو الوصل الرأسي عبر الشريحة بأنه وصلة كهربائية رأسية تخترق رقاقة السيليكون بالكامل . تُعدّ تقنية TSV من تقنيات التوصيل البيني عالية الأداء، وتُستخدم كبديل لتقنية التوصيل السلكي وتقنية الرقائق المقلوبة لإنشاء حزم ثلاثية الأبعاد ودوائر متكاملة ثلاثية الأبعاد. بالمقارنة مع بدائل أخرى مثل تقنية التغليف فوق التغليف ، تتميز هذه التقنية بكثافة توصيلات وأجهزة أعلى بكثير، مع تقليل طول الوصلات.

تصنيف

تصور TSVs من نوع via-first و via-middle و via-last

تُحدد عملية التصنيع ثلاثة أنواع مختلفة من الوصلات الرأسية عبر السيليكون (TSVs): وصلات TSVs ذات التوصيلات الأولى (Via-first TSVs ) التي تُصنع قبل تشكيل المكونات الفردية ( الترانزستورات ، المكثفات ، المقاومات ، إلخ) ( الطرف الأمامي للخط ، FEOL)، ووصلات TSVs ذات التوصيلات الوسطى (Via-middle TSVs ) التي تُصنع بعد تشكيل المكونات الفردية ولكن قبل طبقات المعدن ( الطرف الخلفي للخط ، BEOL)، ووصلات TSVs ذات التوصيلات الأخيرة (Via-last TSVs ) التي تُصنع بعد (أو أثناء) عملية BEOL. [ 1 ] [ 2 ] تُعد وصلات TSVs ذات التوصيلات الوسطى (Via-middle TSVs) حاليًا خيارًا شائعًا للدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد المتقدمة ، وكذلك لمكدسات التوصيل البيني . [ 2 ] [ 3 ]

يجب مراعاة الوصلات الرأسية عبر الطبقة الأمامية (TEOL) بعناية خلال مراحل تصميم الدوائر الإلكترونية (EDA ) والتصنيع. وذلك لأن هذه الوصلات تُحدث إجهادًا حراريًا ميكانيكيًا في طبقة FEOL، مما يؤثر على أداء الترانزستور . [ 4 ]

التطبيقات

مستشعرات الصور

كانت مستشعرات الصور CMOS (CIS) من أوائل التطبيقات التي اعتمدت تقنية الوصلات الرأسية عبر السيليكون (TSV) في الإنتاج بكميات كبيرة. في تطبيقات CIS الأولية، تم تشكيل الوصلات الرأسية عبر السيليكون على الجانب الخلفي لرقاقة مستشعر الصورة لتكوين وصلات بينية، والاستغناء عن وصلات الأسلاك، والسماح بتصغير حجم الرقاقة وزيادة كثافة الوصلات البينية. لم يظهر تكديس الرقاقات إلا مع ظهور مستشعرات الصور CMOS ذات الإضاءة الخلفية (BSI) ، وتضمن عكس ترتيب العدسة والدوائر الإلكترونية والثنائي الضوئي من الإضاءة الأمامية التقليدية، بحيث يصطدم الضوء القادم من العدسة أولاً بالثنائي الضوئي ثم بالدوائر الإلكترونية. وقد تم ذلك عن طريق قلب رقاقة الثنائي الضوئي، وترقيق الجانب الخلفي، ثم ربطه فوق طبقة القراءة باستخدام رابطة أكسيد مباشرة، مع استخدام الوصلات الرأسية عبر السيليكون كوصلات بينية حول المحيط. [ 5 ]

حزم ثلاثية الأبعاد

تحتوي العبوة ثلاثية الأبعاد ( مثل نظام داخل عبوة ، أو رقاقة مكدسة متعددة الطبقات ، إلخ) على شريحتين أو أكثر مكدسة عموديًا لتوفير مساحة أكبر و/أو زيادة في التوصيلات. يوجد نوع بديل من العبوات ثلاثية الأبعاد في تقنية تغليف حامل السيليكون من IBM، حيث لا تُكدس الدوائر المتكاملة، بل تُستخدم ركيزة حاملة تحتوي على وصلات TSV لتوصيل عدة دوائر متكاملة معًا في عبوة واحدة. في معظم العبوات ثلاثية الأبعاد، تُوصل الشرائح المكدسة معًا على طول حوافها؛ هذا التوصيل يزيد قليلاً من طول وعرض العبوة، ويتطلب عادةً طبقة وسيطة إضافية بين الشرائح. في بعض العبوات ثلاثية الأبعاد الحديثة، تحل وصلات TSV محل التوصيلات الطرفية من خلال إنشاء وصلات رأسية عبر جسم الشرائح. لا تحتوي العبوة الناتجة على أي زيادة في الطول أو العرض. ولأنها لا تتطلب طبقة وسيطة، يمكن أن تكون عبوة TSV ثلاثية الأبعاد أكثر تسطحًا من عبوة ثلاثية الأبعاد ذات توصيلات طرفية. تُعرف تقنية TSV هذه أحيانًا باسم TSS (التكديس عبر السيليكون أو التكديس عبر السيليكون).

الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد

الدائرة المتكاملة ثلاثية الأبعاد (3D IC) هي دائرة متكاملة واحدة تُبنى عن طريق تكديس رقائق السيليكون و/أو الشرائح وتوصيلها عموديًا بحيث تعمل كوحدة واحدة. وباستخدام تقنية TSV، يمكن للدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد أن تُضمّن قدرًا كبيرًا من الوظائف في مساحة صغيرة. قد تكون المكونات المختلفة في التكديس غير متجانسة، على سبيل المثال، دمج منطق CMOS وذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) ومواد III-V في دائرة متكاملة واحدة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تقصير المسارات الكهربائية الحرجة عبر الجهاز بشكل كبير، مما يؤدي إلى تشغيل أسرع. يتضمن معيار ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية ثلاثية الأبعاد ذات الإدخال/الإخراج الواسع ( JEDEC JESD229) تقنية TSV في التصميم. [ 6 ]

تاريخ

يمكن تتبع أصول مفهوم TSV إلى براءة اختراع ويليام شوكلي بعنوان "رقاقة أشباه الموصلات وطريقة تصنيعها"، والتي سُجلت عام 1958 ومُنحت عام 1962، [ 7 ] [ 8 ] والتي طورها لاحقًا باحثا شركة IBM ، ميرلين سميث وإيمانويل ستيرن، ببراءة اختراعهما بعنوان "طرق صنع التوصيلات عبر السيليكون في رقائق أشباه الموصلات"، والتي سُجلت عام 1964 ومُنحت عام 1967، [ 9 ] [ 10 ] حيث تصف الأخيرة طريقة لحفر ثقب في السيليكون. [ 11 ] لم يُصمم TSV في الأصل للتكامل ثلاثي الأبعاد، ولكن أولى الرقائق ثلاثية الأبعاد القائمة على TSV اختُرعت لاحقًا في ثمانينيات القرن العشرين. [ 12 ]

تم اختراع أولى الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد (3D IC) ذات الرقائق المكدسة المصنعة بتقنية TSV في اليابان خلال ثمانينيات القرن العشرين . سجلت شركة هيتاشي براءة اختراع يابانية عام 1983، تلتها شركة فوجيتسو عام 1984. وفي عام 1986، سجلت فوجيتسو براءة اختراع يابانية أخرى تصف بنية رقاقة مكدسة باستخدام تقنية TSV. [ 13 ] وفي عام 1989، كان ميتسوماسا كويوناجي من جامعة توهوكو رائدًا في تقنية ربط الرقاقات باستخدام TSV، والتي استخدمها لتصنيع رقاقة LSI ثلاثية الأبعاد في نفس العام. [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] وفي عام 1999، بدأت جمعية تقنيات الإلكترونيات فائقة التطور (ASET) في اليابان بتمويل تطوير رقائق الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد باستخدام تقنية TSV، وذلك ضمن مشروع "البحث والتطوير في تقنية تكامل الأنظمة الإلكترونية عالية الكثافة". [ 13 ] [ 16 ] استخدمت مجموعة كوياناجي في جامعة توهوكو تقنية TSV لتصنيع شريحة مستشعر صور مكدسة ثلاثية الطبقات في عام 1999، ووحدة ذاكرة ثلاثية الطبقات في عام 2000، وشريحة شبكية اصطناعية ثلاثية الطبقات في عام 2001، ومعالج دقيق ثلاثي الطبقات في عام 2002، وشريحة ذاكرة عشر طبقات في عام 2005. [ 14 ]

طُوِّرت طريقة التوصيل بين الرقائق (ICV) عام 1997 من قِبَل فريق بحثي مشترك بين معهد فراونهوفر وشركة سيمنز ، ضمّ بيتر رام، ودي. بولمان، وآر. براون، وآر. بوخنر، ويو. كاو-مينه، ومانفريد إنجلهارت، وأرمين كلومب. [ 17 ] وكانت هذه الطريقة شكلاً مُعدَّلاً من عملية التوصيل عبر الرقاقات (TSV)، وسُمِّيت لاحقاً بتقنية الانتشار البيني بين المواد الصلبة والسائلة (SLID). [ 18 ]

تم صياغة مصطلح "عبر السيليكون" (TSV) من قبل باحثي Tru-Si Technologies سيرجي سافاستيوك، وأو. سينياغين، وإي. كوركزينسكي، الذين اقترحوا طريقة TSV لحل تغليف ثلاثي الأبعاد على مستوى الرقاقة (WLP) في عام 2000. [ 19 ]

تم تسويق مستشعرات الصور CMOS التي تستخدم تقنية TSV من قبل شركات بما في ذلك توشيبا وأبتينا و STMicroelectronics خلال الفترة 2007-2008 ، حيث أطلقت توشيبا على تقنيتها اسم "Through Chip Via" (TCV) . بدأت شركة Elpida Memory بتسويق ذاكرة الوصول العشوائي ثلاثية الأبعاد (RAM) ، حيث طورت أول وحدة DRAM بسعة 8 جيجابايت (مكدسة بأربع رقائق DDR3 SDRAM ) في سبتمبر 2009، وأصدرتها في يونيو 2011. وأعلنت TSMC عن خطط لإنتاج الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد بتقنية TSV في يناير 2010. [ 20 ] وفي عام 2011، طرحت SK Hynix ذاكرة DDR3 SDRAM بسعة 16 جيجابايت ( فئة 40 نانومتر ) باستخدام تقنية TSV، [ 21 ] ثم طرحت سامسونج ذاكرة DDR3 ثلاثية الأبعاد بسعة 32 جيجابايت ( فئة 30 نانومتر ) تعتمد على تقنية TSV في سبتمبر، وبعد ذلك أعلنت سامسونج ومايكرون تكنولوجي عن تقنية مكعب الذاكرة الهجين (HMC) القائمة على تقنية TSV في أكتوبر. [ 20 ] وفي عام 2013، صنعت SK Hynix أول وحدة ذاكرة عالية النطاق الترددي (HBM) تعتمد على تقنية TSV. [ 21 ] طُوّرت تقنية التوصيل الوسيط (Via Middle) بواسطة مركز أبحاث الإلكترونيات الدقيقة (IMEC) تحت إشراف إريك باين. وقد وفّرت هذه التقنية أفضل توازن بين التكلفة وكثافة التوصيلات البينية. حظي هذا العمل بدعم من شركة كوالكوم ، ثم لاحقًا من شركات إنفيديا وزيلينكس وألترا ، التي كانت تبحث عن طرق للتفوق على إنتل في مجالها - زيادة سعة الذاكرة المدمجة، ولكن عن طريق التكديس بدلًا من التوسع.     

مراجع

  1. ↑ خارطة الطريق الدولية لتكنولوجيا أشباه الموصلات لعام 2009 (ITRS) . 5 سبتمبر 2009. الصفحات 4-5 . 
  2. 1 2 كنيشتل، يوهان؛ سينان أوغلو، أوزغور؛ الفاضل، إبراهيم (آبي) م.؛ لينيغ، ينس؛ سزي، كليف سي إن (2017). "رقائق ثلاثية الأبعاد واسعة النطاق: تحديات وحلول لأتمتة التصميم والاختبار والتكامل الموثوق" . معاملات الجمعية اليابانية لهندسة النظم في منهجية تصميم الدوائر المتكاملة واسعة النطاق . 10 : 45-62 . doi : 10.2197/ipsjtsldm.10.45 .
  3. ↑ باين، إريك (2016). "مشهد تكنولوجيا الربط البيني ثلاثي الأبعاد". مجلة IEEE للتصميم والاختبار . 33 (3): 8-20 . doi : 10.1109/mdat.2016.2544837 . S2CID 29564868 . 
  4. ↑ ليم، سونغ كيو (2013). تصميم دوائر متكاملة ثلاثية الأبعاد عالية الأداء ومنخفضة الطاقة وموثوقة . doi : 10.1007/978-1-4419-9542-1 . ISBN 978-1-4419-9541-4.
  5. ↑ فون تراب، فرانسواز (15 سبتمبر 2014). "مستقبل مستشعرات الصور هو تكديس الرقائق" . 3D InCites .
  6. ↑ «JEDEC تنشر معيارًا رائدًا لذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية المحمولة ذات الإدخال/الإخراج الواسع» . JEDEC (بيان صحفي). أرلينغتون، فيرجينيا. 5 يناير 2012. تم الاطلاع عليه في 1 ديسمبر 2014 .
  7. ↑ فون تراب، فرانسواز (24 أبريل 2010). "من اخترع تقنية TSV ومتى؟" . 3D InCites .
  8. ↑ براءة اختراع أمريكية رقم 3,044,909
  9. ↑ كادا، موريهيرو (2015). "تاريخ البحث والتطوير لتكنولوجيا التكامل ثلاثي الأبعاد". التكامل ثلاثي الأبعاد لأشباه الموصلات . ص 1-23 . doi : 10.1007/978-3-319-18675-7_1 . ISBN  978-3-319-18674-0.
  10. ↑ براءة اختراع أمريكية رقم 3,343,256
  11. ^ بافليديس، فاسيليس ف. سافيديس، يوانيس؛ فريدمان، إيبي ج. (2017). تصميم الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد . نيونيس. ص. 68. ردمك  978-0-12-410484-6.
  12. ↑ لاو، جون هـ. (2010). موثوقية وصلات الدوائر المتكاملة ثنائية وثلاثية الأبعاد المتوافقة مع توجيهات RoHS . ماكجرو هيل بروفيشنال . ص 1. ISBN  978-0-07-175380-7تُعدّ تقنية TSV جوهر تكامل الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد مع السيليكون، وهي تقنية عمرها أكثر من 26 عامًا. حتى أن تقنية TSV (اختصارًا لـ Electrical Feed-through) اخترعها ويليام شوكلي عام 1962 (تم تقديم براءة الاختراع في 23 أكتوبر 1958)، ولكنها لم تُصمم في الأصل للتكامل ثلاثي الأبعاد.
  13. 1 2 3 كادا، موريهيرو (2015). "تاريخ البحث والتطوير لتكنولوجيا التكامل ثلاثي الأبعاد". التكامل ثلاثي الأبعاد لأشباه الموصلات: المعالجة والمواد والتطبيقات . سبرينغر. ص 8-9 . ISBN  978-3-319-18675-7.
  14. 1 2 فوكوشيما، ت.؛ تاناكا، T.؛ كوياناجي، ميتسوماسا (2007). “القضايا الحرارية للدوائر ثلاثية الأبعاد” (PDF) . سيماتيك . جامعة توهوكو. مؤرشفة من الأصلي (PDF) في 16 مايو 2017 . تم الاسترجاع في 16 مايو 2017 .
  15. ^ تاناكا، تيتسو؛ لي، كانغ ووك؛ فوكوشيما، تاكافومي؛ كوياناجي، ميتسوماسا (2011). تقنية التكامل ثلاثي الأبعاد والتكامل غير المتجانس (تقرير). S2CID 62780117 . 
  16. ↑ تاكاهاشي، كينجي؛ تانيدا، كازوماسا (2011). "الربط الرأسي بواسطة ASET" . دليل التكامل ثلاثي الأبعاد . المجلد 1: تكنولوجيا وتطبيقات الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد. جون وايلي وأولاده. ص 339. ISBN   978-3-527-62306-8.
  17. ↑ رام، ب.؛ بولمان، د.؛ براون، ر.؛ بوخنر، ر.؛ كاو-مينه، يو.؛ وآخرون . (نوفمبر 1997). "التغليف المعدني ثلاثي الأبعاد للدوائر المتكاملة رأسيًا". هندسة الإلكترونيات الدقيقة . 37-38 : 39-47 . doi : 10.1016/S0167-9317(97)00092-0 . S2CID 22232571 .  
  18. ↑ ماكيولو، أ.؛ أندريتشيك، ل.؛ موزر، هـ. ج.؛ نيسيوس، ر.؛ ريختر، ر. هـ.؛ ويجيل، ب. (1 يناير 2012). "تقنية التكامل الرأسي SLID-ICV لتحديثات بكسل ATLAS". وقائع الفيزياء . 37 : 1009-1015 . arXiv : 1202.6497 . Bibcode : 2012PhPro..37.1009M . doi : 10.1016/j.phpro.2012.02.444 . S2CID 91179768 . 
  19. ↑ سافاستيونك، س.؛ سينياغين، أ.؛ كورتشينسكي، إ. (2000). "وصلات السيليكون المارة بتقنية WLP ثلاثية الأبعاد". وقائع الندوة الدولية حول عمليات مواد التغليف المتقدمة وخصائصها وواجهاتها (رقم التصنيف 00TH8507) . الصفحات 206-207 . doi : 10.1109/ISAPM.2000.869271 . ISBN  0-930815-59-9. S2CID 110397071 . 
  20. 1 2 كادا، موريهيرو (2015). "تاريخ البحث والتطوير لتكنولوجيا التكامل ثلاثي الأبعاد" . التكامل ثلاثي الأبعاد لأشباه الموصلات: المعالجة والمواد والتطبيقات . سبرينغر. ص 15-18 . ISBN  978-3-319-18675-7.
  21. 1 2 "التاريخ: العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين" . إس كيه هاينكس . مؤرشف من الأصل في 17 مايو 2021. تم الاسترجاع في 19 يوليو 2019 .