Il passaggio al packaging avanzato nel settore della fabbricazione di semiconduttori richiede un’evoluzione nella litografia: la tecnologia DLP di Texas Instruments è la chiave per realizzarla.
Nella corsa alla creazione di chip sempre più potenti, innovativi ed efficienti che supportino l’intelligenza artificiale, le connessioni sicura per l’Internet delle cose (IoT) e le reti 5G, continua a crescere la domanda di maggiore capacità di elaborazione.
In passato, l’industria elettronica si basava sulla legge di Moore, secondo la quale il numero di transistor in un circuito integrato raddoppiava ogni due anni, determinando miglioramenti nelle prestazioni e consentendo anche di ridurre le dimensioni dei componenti nei chip.
“Ma ora stiamo raggiungendo un punto in cui ridurre le dimensioni dei componenti è sempre più difficile e costoso“, afferma Jeff Marsh, vicepresidente e direttore generale dei prodotti DLP di TI.
Ne consegue che, per continuare a migliorare le prestazioni dei chip, l’industria dei semiconduttori sta imboccando con sempre maggiore decisione la strada del packaging avanzato.
Per packaging avanzato si intende la tecnica che integra più die in un unico package, consentendo ai chip di comunicare più velocemente tra loro consumando meno energia. Combina i componenti migliori per compiti specifici e li collega in modo ancora più efficiente su un circuito stampato, consentendo di realizzare chip più potenti ed efficienti dal punto di vista energetico per applicazioni come i data center e la guida autonoma.
Il packaging avanzato rappresenta la prossima iterazione delle tecniche di fabbricazione. In questo ambito, le aziende che realizzano apparecchiature per la produzione di semiconduttori, devono innovare per rendere la litografia – il cuore di questo processo – più accessibile, scalabile e adattabile alle tecniche di packaging.
Per migliorare precisione e scalabilità, molte di queste aziende stanno cercando di utilizzare la tecnologia DLP (Digital Light Processing) di Texas Instruments nei loro sistemi litografici.
Il cuore della tecnologia DLP è il dispositivo a microspecchi digitali (DMD), che dispone di fino a 8,9 milioni di microscopici specchi che dirigono la luce in tempo reale per stampare pattern sui materiali.
Ma cosa c’è nella tecnologia DLP che consente ai produttori di apparecchiature di realizzare il packaging avanzato?
Precisione adattabile ed economica su larga scala
Storicamente, le apparecchiature litografiche proiettavano la luce attraverso una maschera (che funziona come uno stencil di fascia alta) su una superficie molto piana rivestita con un materiale fotosensibile. La luce quindi stampava motivi che collegavano i componenti. Poiché i sistemi avanzati di packaging stampano motivi su materiali che possono presentare variazioni tipografiche, che possono verificarsi su una superficie non completamente piana, la litografia “senza maschera” sta diventando un’opzione conveniente e adattabile per i produttori di apparecchiature.
“La tecnologia DLP è in grado di adattare costantemente il motivo alle reali condizioni della superficie del materiale“, ha affermato Jeff. “La sua adattabilità in tempo reale garantisce che i motivi vengano stampati con precisione, anche quando la superficie sottostante non è perfettamente livellata”.
Grazie alla tecnologia DLP, i produttori di sistemi possono aggiornare istantaneamente i modelli digitali senza dover creare nuove maschere. Se un modello necessita di modifiche, gli ingegneri possono apportare modifiche e implementarle immediatamente aggiornando un file software. Questo accelera i cicli di innovazione e riduce gli sprechi di materiali.
“Che un produttore di apparecchiature stia sviluppando macchine che stampano piccoli modelli per smartphone o modelli complessi per applicazioni più grandi come i data center, la stessa tecnologia DLP di base può adattarsi per soddisfare le loro esigenze“, ha affermato Jeff.
Alimentare la prossima ondata di innovazioni
La tecnologia DLP ha consolidato la sua tradizione nel settore cinematografico, continuando a sfidare e ridefinire la percezione di ciò che è possibile, facilitando la transizione dalla pellicola alla proiezione digitale nei cinema; ora sta facilitando la transizione dalla litografia digitale con maschera a quella senza maschera.
“Stiamo favorendo la creazione di sistemi di litografia digitale che consentono agli ingegneri di introdurre sul mercato soluzioni informatiche innovative e potenti“, ha affermato Jeff. “Prima di passare alla tecnologia di visualizzazione, avevamo inizialmente progettato il primo chip DMD per la stampa. Ora, mentre forniamo alcune delle nostre soluzioni più avanzate per i sistemi di litografia digitale, ci stiamo collegando in modo innovativo alla tradizione di stampa della tecnologia DLP”.
Dai data center ai sistemi di guida autonoma e ad altre applicazioni di elaborazione ad alta potenza, il packaging avanzato abilitato dai sistemi di litografia digitale che utilizzano la tecnologia DLP guideranno innovazioni che toccheranno ogni aspetto della nostra vita. “In fin dei conti“, ha affermato Jeff, “si tratta di abilitare la tecnologia che fa la differenza”.
Utilizzo di DMD per la fotolitografia
A un livello più elevato, un DMD, come il DLP991UUV, è un modulatore di luce spaziale basato su un sistema microelettromeccanico (MEMS) composto da milioni di microspecchi, o pixel, indirizzabili individualmente. Questi DMD forniscono un controllo accurato al pixel su un’ampia gamma di lunghezze d’onda da 343 nm a 2500 nm e dimensioni da 0,1 a 0,99 pollici di diagonale, consentendo flessibilità nella progettazione del sistema. I progettisti possono utilizzare questi dispositivi in una varietà di contesti industriali, dalle stampanti 3D e scanner dentali ai sistemi di visione artificiale e litografia senza maschera.
I DMD sono stati inizialmente utilizzati nei sistemi di fotolitografia per la stampa di PCB, prima di espandersi nella produzione di packaging. Agendo come fotomaschere programmabili, questi DMD vengono utilizzati per stampare caratteristiche come tracce, vie e maschere di saldatura senza la necessità di fotomaschere fisiche. Un PCB è tipicamente costituito da un laminato organico con strati metallici, spesso rame, per le interconnessioni. Per stampare tracce e caratteristiche, lo strato di rame viene rivestito con un fotoresist e allineato su un piano. Un pattern viene quindi stampato sul fotoresist utilizzando metodi di fotolitografia, il fotoresist viene sviluppato e il metallo e il fotoresist in eccesso vengono rimossi per lasciare le caratteristiche del circuito.
I sistemi basati sulla tecnologia DLP sono coinvolti nella fase di fotolitografia, in cui il pattern viene stampato sul fotoresist utilizzando luce UV. Per questa fase, ci sono due tecnologie principali da discutere: i sistemi tradizionali basati su maschera e i sistemi senza maschera.
- Sistemi basati su maschera: i sistemi basati su maschera utilizzano fotomaschere, note anche come reticoli, per trasferire i pattern del circuito. Queste maschere sono tipicamente realizzate in vetro o quarzo e rivestite con materiali specifici.
Questi materiali bloccano il passaggio della luce, mentre le parti non rivestite rimangono trasparenti e consentono il passaggio della luce. Quando la luce UV viene puntata sulla maschera, la luce che attraversa il fotoresist, polimerizzando il pattern stabilito dalla maschera. Una sfida di questa tecnologia è che una maschera non può modificare il pattern, ma è necessario fabbricarne una nuova per modificare le caratteristiche stampate. - Sistemi senza maschera: i sistemi senza maschera non si basano su maschere fisiche per trasferire i pattern. Una tecnica utilizza la tecnologia DLP come fotomaschera programmabile. Con questo metodo senza maschera, la luce UV viene puntata sul DMD e i microspecchi nel DMD si inclinano per modulare la luce, creando un pattern che viene proiettato sul fotoresist del PCB.
In genere, molti impulsi di luce vengono proiettati sul DMD mentre gli specchi si ruotano e l’intero modulo esegue la scansione sulla superficie. Ogni impulso di luce polimerizza il materiale per creare i pattern desiderati. Ciò consente al pattern di modificarsi a ogni impulso e di adattarsi a fattori come la deformazione.
Regolando dinamicamente il pattern proiettato sul resist, è possibile utilizzare un file software modificato o un ciclo di feedback per modificare il pattern anziché creare una nuova maschera.
Grazie alla tecnologia DLP, la progettazione digitale può essere modificata in qualsiasi momento per consentire una maggiore resa e scalabilità, mantenendo al contempo un’elevata produttività e rispettando le dimensioni richieste per le caratteristiche stampate.
sistemi basati su DMD riducono inoltre i costi associati alle maschere, inclusi, a titolo esemplificativo ma non esaustivo, la fabbricazione delle maschere, la gestione dell’inventario delle maschere e la riprogettazione delle maschere.
Tecnologia DLP per il packaging avanzato
Un PCB fornisce supporto a livello di scheda e connessioni elettriche tra componenti discreti o chip confezionati, instradando i segnali su aree relativamente ampie con densità moderata. Tuttavia, questi PCB hanno molte regole, come la disposizione e le dimensioni delle caratteristiche, che limitano l’I/O. Per questo motivo, substrati e interposer diventano utili per superare tali limiti durante il collegamento e l’instradamento di singoli die.
I substrati per il packaging avanzato aumentano la densità di I/O a livello di package distribuendo i segnali dai pad dei chip a passo fine ai pin o alle sfere del package più grandi. La presenza di più strati consente un numero maggiore di connessioni con un ingombro ridotto, consentendo ulteriormente l’integrazione di più die in un unico package. Gli interposer offrono una maggiore densità di I/O, offrendo passi ancora più sottili direttamente tra i die.
Grazie a substrati e interposer, è possibile aggirare le tradizionali limitazioni dei PCB, consentendo di ottenere dimensioni finali inferiori rispetto a un PCB equivalente con package individuali per ogni die. Questo aumenta le prestazioni e l’efficienza grazie a connessioni più corte e consente di ridurre il numero di connessioni al PCB. In sostanza, per superare le grandi dimensioni derivanti dal routing diretto su un PCB, interposer e substrati vengono utilizzati come intermediari. Un DMD può essere utilizzato per stampare caratteristiche su questi substrati e interposer nello stesso modo in cui gli utenti stampano i PCB.
La maggior parte dei materiali del substrato assomiglia anche a un PCB, utilizzando strati alternati di dielettrico e metallo. Gli interposer tendono a essere costituiti da tre categorie di materiali: organico, vetro e silicio. I sistemi che utilizzano la tecnologia DLP si concentrano in genere su organico e vetro, soprattutto quando si spinge a livello di pannello.
I pannelli possono contribuire a migliorare l’efficienza produttiva, ridurre gli errori di gestione e i costi degli utensili e consentire un’elevata produttività. La produzione a livello di pannello consente una maggiore efficienza di area, scalabilità e flessibilità, poiché più transistor vengono combinati in un unico package.
Proiettando direttamente sul substrato senza fotomaschere, i sistemi con tecnologia DLP consentono maggiore flessibilità e scalabilità alle dimensioni di un pannello, riducendo al minimo gli errori di stitching, una sfida comune quando si scalano i sistemi basati su maschere. Con un sistema basato su DMD, le dimensioni del pannello non hanno limiti e la deformazione può essere tenuta in considerazione tramite correzioni in tempo reale.
La maggior parte dei PCB moderni viene stampata a livello di pannello, il che spiega ulteriormente la naturale evoluzione dalla stampa di PCB con tecnologia DLP alla stampa di substrati, interposer e RDL a livello di pannello per il packaging avanzato. Con l’aumento della domanda di una maggiore densità di I/O e il continuo aumento del numero di livelli su package avanzati e a livello di pannello, i sistemi con tecnologia DLP stanno aiutando i produttori di sistemi a soddisfare i requisiti di scalabilità con elevata precisione e produttività, riducendo al contempo l’accumulo di errori.
Il DMD DLP991UUV è stato progettato per supportare il mercato del packaging avanzato. Questo DMD offre elevate velocità di trasmissione dati fino a 110 Gbps, consentendo correzioni in tempo reale con velocità di esposizione e pannelli massimi all’ora.
Con un passo dei microspecchi di 5,4 µm, il DLP991UUV presenta 8,9 milioni di microspecchi in un package con diagonale da 0,99 pollici. Con la più alta risoluzione nel portfolio DLP, questi dispositivi consentono ai produttori di apparecchiature di massimizzare la produttività e aumentare l’area di esposizione, riducendo al contempo le dimensioni delle caratteristiche per raggiungere 1 µm L/S.
Con specifiche fino a 343 nm, il DLP991UUV può essere utilizzato in strumenti G-line e I-line e diverse lunghezze d’onda possono essere personalizzate per ottimizzare le prestazioni del fotoresist. Il DMD aiuta i produttori di sistemi a ottenere maggiore precisione e dimensioni ridotte nei progetti, consentendo una maggiore densità di I/O e riducendo al contempo i costi.
Conclusioni
Con i processi di produzione di immagini digitali che utilizzano la tecnologia DLP, i produttori di sistemi possono ridurre i costi di produzione e i tempi di ciclo, consentire modifiche di progettazione in tempo reale nel packaging a livello di pannello, produrre su larga scala con una resa migliorata e ottenere precisione in topografie complesse.
