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2012
Book Article
Title
Möglichkeiten und Herausforderungen moderner 3D-Systeme
Abstract
Der Funktionsumfang elektronischer Produkte ist in den vergangenen Jahren stark gewachsen, ohne dass Masse, Volumen und Preis zugenommen haben. Bisher wurde das vor allem durch die Hochintegration vieler Baugruppen auf einem Chip und gleichzeitiger Verkleinerung der Halbleiterstrukturen erreicht. Mit dem Bedarf nach intelligenten Systemen, die nicht nur Prozessoren sondern auch Sensoren oder Funkmodule enthalten, stoßen System-On-Chip (SoC)-Ansätze an ihre Grenzen. Deshalb werden seit mehr als einem Jahrzehnt alternative Systemintegrationsverfahren erforscht. Bei der 3D-Integration werden mehrere unverpackte IC in einem Gehäuse übereinander gestapelt. Dadurch lassen sich Signalwege verkürzen, parasitäre Kapazitäten vermindern und es kann der Datendurchsatz gesteigert werden. Voraussetzung dafür ist die Herstellung von Durchkontaktierungen auf dem Chip, die es erlauben, Signal- und Versorgungsleitungen des IC von den oben liegenden Metallisierungsebenen auf die Unterseite des IC zu übertragen, von wo sie mittels miniaturisierter Lötkugeln mit dem darunterliegenden IC verbunden werden können. Neben dem direkten Stapeln von Chips, können zusätzlich Chips zur Umverdrahtung von Signalen (Interposer) eingefügt werden. Auf diese Weise lassen sich existierende IC in neuen Produkten wiederverwenden. Es kann sogar sinnvoll sein, mehrere Chips nebeneinander auf dem Interposer zu platzieren (2.5D Integration), da das gegenüber der Montage verpackter IC auf der Leiterplatte noch immer deutliche Vorteile in Bezug auf Leitungslänge und parasitären Kapazitäten hat. Auf diese Weise kann beispielsweise Speicher breitbandig an Prozessoren angebunden werden. Neben den fertigungstechnologischen Schwierigkeiten beinhaltet der Entwurf eines derartigen Systems viele große Herausforderungen, da mehrere einzelne IC hinsichtlich verschiedener Kriterien aufeinander abgestimmt werden müssen. Dabei sind unter anderem Fragen der Wärmeabfuhr, der elektromagnetischen Verträglichkeit, der Durchleitung von Versorgungsspannungen, der Testbarkeit zu beachten. In der existierenden Entwurfssoftware für den SoC-Entwurf werden diese Fragestellungen nicht oder nur ungenügend berücksichtigt. Die Entwicklung neuer Entwurfswerkzeuge und -methoden ist daher eine entscheidende Voraussetzung für die breite Einführung der 3D-Integration. Der Beitrag zeigt die Entwicklung der 3D-Integrationsverfahren vom System-In-Package über interposerbasierte Entwicklungen bis hin zu zukünftigen gestapelten Systemen und die zugehörigen Aufbautechnologien. Beispiele aus zurückliegenden Projekten illustrieren den Einsatz der verschieden Integrationsformen. Im zweiten Teil werden die resultierenden Anforderungen an Entwurfswerkzeuge (EDA-Tools) vorgestellt.