Das Verbinden von Stacks aus Mikrochips

Anforderungen nach mehr Funktionalität in kleineren Paketen zu günstigeren Preisen haben die Miniaturisierung in der Mikroelektronik angetrieben. Für die weitere Miniaturisierung wird ein großer Schritt im Design nötig sein, aber das Platzieren einzelner Halbleiterchips aufeinander erfordert eine zuverlässige Technik für die elektrische Verbindung. Dies wiederum erfordert eine Senkung des Wärmewiderstands, um eine höhere Verbindungsdichte und Zuverlässigkeit während der thermomechanischen Belastung zu ermöglichen.

Dieses technologische Hindernis für die weitere Miniaturisierung brachte Wissenschaftler zur Einrichtung des EU-finanzierten Projekts HYPERCONNECT. HYPERCONNECT entwickelt einen bahnbrechenden sequentiellen Verbindungsprozess. Die Kompositverbindungen aus Nanopartikeln (NP), Polymeren und Füllstoff werden sequentiell gebildet, indem zunächst eine NP-Suspension aufgetragen und dann das Lösungsmittel verdampft wird. Die Nanopartikel werden sich dann mittels Kapillar-Bridging selbst zusammenfügen und so "Hälse" zwischen mikrometergroßen Strukturen bilden.

Nach anfänglichen Screening-Tests wählten die Wissenschaftler die Aluminiumoxid (Tonerde)-Füllstoffnanopartikel für die dielektrischen Hälse aus. Sie wurden durch ein Sieb geleitet, um eine einheitliche Größe und Formverteilung zu erhalten, und an alle Partner ausgeliefert. Das Team entwickelte auch eine neue Epoxyformulierung zur Verfüllung mit maßgeschneiderten Eigenschaften, die kommerzielle Produkte nicht bieten können.

Bei der Verarbeitung konzentrierte man sich auf den besten Weg, die NP-basierten Materialien für die anschließende Halsbildung aufzubringen. Zu den Aufgaben gehörten Experimente zur Verarbeitung von Füllstoffpartikeln, zur Positionierung und Immobilisierung der Materialien sowie Studien zu den Mechanismen der Halsbildung.

Die Entwicklung von Materialien und Technologie wird durch eine strenge experimentelle Charakterisierung und Modellierung unterstützt. Kenntnisse zu Lebensdauer und Versagensmechanismen eines Produkts aus experimentellen Tests erleichtern zuverlässige Entwürfe und deren Bewertung. Bisherige Simulationen befassten sich sowohl mit dem neu entstehenden Bedarf der Entwicklungsarbeit sowie mit grundlegenden Arbeiten zur Lebensdauermodellierung auf Basis von Ausfallanalysen. Ökobilanzen ermöglichen eine wirtschaftliche und umweltverträgliche Auswahl der Materialien.

HYPERCONNECT soll eine überlegene Mehrmaterialien-Fügetechnik mit einem 10-fachen Anstieg der Wärmeleitfähigkeit und einer 5-fachen Erhöhung der Zuverlässigkeit liefern. Dies wird neuartige 3D-gestapelte Chip-Architekturen ermöglichen, die den Weg für die fortschreitende Miniaturisierung ebnen und der EU eine Spitzenposition auf dem globalen Markt verschaffen werden.