3D Integration von Halbleiterbauelementen

Ein besonderes Augenmerk bei Mikrosystemintegration von Halbleiterkomponenten am Fraunhofer EMFT liegt auf der 3D-Systemintegration. Auf dem Gebiet der heterogenen 3D Integration wird am Fraunhofer EMFT bereits seit Mitte der 1990er geforscht und u.a. robuste Niedertemperatur Die/Wafer-Bonding Verfahren basierend auf Solid-Liquid-Inderdiffusion entwickelt (SLID). Diese vom Fraunhofer EMFT patentierte Technologie ist von zentralem Interesse u.a. für die Verknüpfung von CMOS-kompatibler Elektronik mit MEMS-basierten Sensoren. Darüber hinaus werden Sensoren mit genormten Schnittstellen ausgelesen, angesteuert und zu Internet of Things (IoT) Systemen vernetzt.

Der weltweite Trend zu IoT und Smart Sensor Systemen macht die heterogene 3D Integration zu einer Schlüsseltechnologie, bringt aber auch Herausforderungen für die entsprechenden Prozesstechnologien, wie z.B. Aligned Die Stacking und Wafer-Bonden, mit sich: Der immense Wettbewerbsdruck in IoT-Anwendungen verlangt nach immer kleineren, aber gleichzeitig leistungsfähigeren und robusten Systemen.  

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, unterzeichnete das Fraunhofer EMFT im September 2016 eine Lizenzvereinbarung mit der XPERI Corp. und nahm mit ZiBond^® und DBI^® (Direct Bond Interconnect) zwei der modernsten 3D-Integrationstechnologien in ihr Leistungsportfolio mit auf. 

Beide Prozesse können bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen von ca. 200 °C durchgeführt werden, was sich positiv auf Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Bauteile auswirkt. Bei der DBI^®-Technologie werden die Bauteile nach einer speziellen Vorbehandlung der verwendeten Kupfer- und Oxidoberflächen sowohl mechanisch als auch elektrisch verbunden. Da somit der aufwändige Prozess des Durchkontaktierens von Chips entfällt, können die Systeme kostengünstiger gefertigt werden – eine Grundvoraussetzung für den Zugang zu Massenmärkten wie der Consumer-Elektronik. Ein weiterer Vorteil: Die „Pitches“ (Strukturbreite und Abstand) zwischen den Verbindungen betragen im günstigsten Fall nur noch 2 μm. Dies ermöglicht höchstintegrierte Systems-on-Chips mit enormer Leistungsfähigkeit. Von großem Interesse ist das für High-Performance-Anwendungen wie beispielsweise Prozessoren. Ein wichtiger Trend in diesem Bereich stellen z.B. sogenannte Hybrid Memory Cubes dar – also Speicher- und Prozessor-Bauelemente in einem 3DIC-Stapel integriert.  

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