CC BY
16
DOI 10.25987/VSTU.2019.15.4.009 УДК 621.396
ВЛИЯНИЕ РАСПОЛОЖЕНИЯ TSV-ОТВЕРСТИЙ И RDL-СЛОЁВ НА ТЕПЛОРАСПРЕДЕЛЕНИЕ В 3D-DRAM
Д.А. Хараджиди1'2, К.Н. Багнюков2, Н.В. Ципина1, А.В. Муратов1
воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2АО «Научно-исследовательский институт электронной техники», г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассматриваются особенности конструкций 3D-DRAM (dynamic random access memory - англ., динамическая память с произвольным доступом) сборок интегральных схем (ИС) с различным расположением TSV-отверстий (through-silicon via - англ., связи сквозь кремний), бампов (bump - англ., припойный шарик), наличием/отсутствием RDL (redistribution layer - англ., перенаправляющий слой) на кристаллах стека и логики. Исследуется зависимость влияния положения составных элементов на тепловыделение каждого отдельно взятого элемента сборки и всей системы в целом. Для проведения термического исследования промоделировано 4 варианта конструкции трёхмерных интегральных схем в зависимости от расположения сквозных кремниевых отверстий и перенаправляемого слоя на памяти и логике: ребро + нецентр, центр + центр, ребро + центр + RDL и центр+RDL + центр + RDL. Каждому ключевому элементу сборки присвоены свойства их реальных прототипов такие, как плотность, температура плавления, теплопроводность, коэффициент теплового расширения, удельная теплота плавления. Термическое исследование проведено при помощи современных систем автоматического проектирования. Определён наиболее оптимальный по тепловыделению и по стоимости всей системы вариант сборки
Ключевые слова: TSV, 3D-сборка, RDL, моделирование, проектирование, теплоанализ
Введение
На сегодняшний день одним из способов обеспечения более высокого уровня функциональности ИС при минимальных размерах и максимальной скорости является путь развития разработки 3Б-сборок. Увеличение плотности трехмерных интегральных микросхем, которое становится возможным благодаря вертикальному размещению элементов, будет способствовать многократному снижению себестоимости схем в сравнении с традиционными двухмерными микросхемами, при том же технологическом процессе производства. Наиболее перспективной на данный момент является технология TSV, позволившая полностью удалить операцию разварки проволочных выводов из технологического маршрута, что обеспечивает максимально допустимый уровень интеграции микросхем.
В тех случаях, когда нецелесообразно делать заказ изготовителю микросхем на производство ИС в соответствии с техническими требованиями заказчика или выгодно использовать накопленные запасы, возникает необходимость изменить расположение контактных площадок. Чтобы перенаправить схему ввода/вывода в новую, более свободную зону, необходимо прибегнуть к добавлению металлических и диэлектрических слоев на поверхность пластины - перенаправляющего слоя RDL (рис. 1). Такое перераспределение требует использования тонкопленочных полиме-
© Хараджиди Д.А., Багнюков К.Н., Ципина Н.В., Муратов А.В., 2019
ров (BCB, PI) и металлизации ^ или Cu) для перенаправления периферийных (вторичных) площадок в конфигурацию массива [1].
Дорожка перераспреления может быть изготовлена непосредственно при первичной пассивации (SiN или SiON) или проложена поверх второго слоя полимера.
Рис. 1. Внешний вид RDL
В прошлом было широко распространено мнение, что RDL является временной мерой и использование данной технологии прекратится, поскольку конструкции микросхем сильно уменьшатся, в соответствии с законом Мура, и контактные площадки будут находиться в одном массиве. Однако на сегодняшний день, технология RDL нашла применение в 3D-сборках.
Цель исследования
Целью данной работы является проведение термического исследования для изучения влияния теплораспределения от расположения.
в г
Рис. 2. 3D-DRAM с различным расположением TSV и RDL (память + логика): а - центр + центр, б - ребро + нецентр,
в - центр + центр + RDL, г - ребро + центр + RDL
Т8У-отверстий и КОЬ. Объект исследования - ЗБ-БКЛЫ с различными конструктивными особенностями расположения TSV-отверстий и RDL-слоев. На рис. 2 показаны четыре варианта сборки 3D-DRAM, в табл. 1 приведено сравнение их примерной стоимости в зависимости от конструкции кристаллов.
Таблица 1
Сравнения характеристик взаиморасположения
TSV и RDL
Вид проектировки TSV Центр + центр Ребро + нецентр Центр + центр + КБЬ Ребро + центр + КБЬ
Стоимость кристалла памяти Низкая Высокая Средняя Средняя
Стоимость кристалла логики Низкая Высокая Средняя Высокая
Итоговая стоимость Мини-ни- маль-ная Максимальная Средняя Высокая
Как видно из данных табл. 1, расположение TSV-отверстий по центру без RDL-слоя имеет самую низкую стоимость. Замена пограничных TSV на RDL снижает стоимость, одна-
ко вносит более высокий шум мощности [2] из-за дополнительного сопротивления RDL. Известно, что тепло, рассеиваемое в ядрах кристаллов стека, повышает температуру внутри сборки в целом. Следовательно, блоки подсистем, расположенные ближе к более нагретым точкам, также нагреваются сильнее подсистем, которые физически расположены дальше. Изменения температуры модулируют параметры устройства, тем самым изменяя его характеристики, это называется тепловой перекрестной помехой. Процесс создания стеков логических ядер и памяти стал ключевым моментом 3Б-интеграции. Однако колебания температуры, следственно шума, в 3Б-сборках ухудшают производительность и надежность динамической оперативной памяти [3]. Обильное тепловыделение способно привести к параметрическим сбоям, вследствие изменения рабочего состояния, то есть сбою процесса чтения и записи, а также к падению напряжения [4]. Дополнительные параметрические изменения приводят к сбоям в узлах нанометровой технологии. Поэтому было решено провести моделирование тепловых процессов при нормальных условиях работы 3D-DRAM.
Таблица 2
Свойства материалов
Материал Кремний Свинец Медь Золото
Плотность, г/см3 2,33 11,35 8,92 19,3
Температура плавления, К 1688 600,61 1356,55 1337,33
Теплопроводность, Вт/мК 149 35,3 401 300
Коэффициент теплового расширения, 10" • оС 5,1 28,0 16,6 14,2
Удельная теплота плавления, кДж/моль 50,6 4,77 13,01 12,68
Для проведения теплоанализа необходимо задать свойства материалов в САПР (система автоматизированного проектирования). Рассматриваемая 3D-сборка состоит из кремниевых кристаллов (Si), припойных шариков (бам-пов) из свинца (Pb), медных TSV (Cu), золотых RDL (Au). Все данные, необходимые для проведения температурного анализа, записаны в табл. 3. Исследуется зависимость нагрева системы в целом, а также отдельно взятых элементов в её составе от расположения RDL и TSV. При тепловом анализе рассматриваемые приборы находились под воздействием температуры 300К, на кристалл воздействовала мощность равная 10Вт, на логику 15 Вт [5]. На рис. 3 представлены результаты термического исследования 3D-DRAM для расположения TSV-отверстий относительно контактов подложки по типу «центр + центр».
б
Рис. 3. Термический анализ 3D-сборки с расположением TSV по центру: а - общий вид, б - разрез
В данном случае максимальная температура при нормальных режимах работы (как обра-
зец был взят процессор Intel core i7) равна 46 oC, при этом температура бампов равна 27 oC, TSV -29 oC. Учитывая, что критическая температура работы процессора ~ 100 oC [6], делается вывод, что модели не требуется дополнительное охлаждение. Следующий анализ проведен на сборке с расположением TSV-отверстий по типу «реб-ро+нецентр», при аналогичных условиях. Результаты представлены на рис. 4.
Twl J поры Териячми Термнч«аин1
L ЭТ.Я L 8i,33
б
Рис. 4. Термический анализ 3D-сборки с пограничным расположением TSV: а - общий вид, б - разрез
В данном случае сборки при нормальных режимах работы максимальная температура равна 46,5 oC, температура бампов равна 24,9 oC, TSV - 26,9 oC. В сравнении с предыдущим типом конструкции выявлено, что общая температура увеличилась незначительно, но на отдельных элементах уменьшилась на пару градусов: на бампах охлаждение составило примерно 2oC, на TSV ~ 3oC. Учитывая, что максимально допустимая температура работы всей системы не
а
должна превышать 100oC, делается вывод, что внешнее охлаждение не требуется.
Следующий анализ проведен на сборке с пограничным расположением TSV на четырех стеках + центр на нижней подложке + RDL, при аналогичных условиях результаты представлены на рис. 5.
б
Рис. 5. Термический анализ 3D-сборки с пограничным расположением TSV на четырех стеках + центр на нижней подложке + RDL: а - общий вид, б - разрез
В целом температура системы понизилась на один градус, по сравнению с предыдущими результатами. На бампах, взаимодействующих с перенаправляющим слоем, - повысилась на 5oC и 3oC, но в целом как бампы, так и TSV имеют незначительные температурные сдвиги (температура TSV совпадает с температурой в системе с пограничным расположением, но меньшим на 2оС чем с центральным, у бампов стека аналогичная ситуация). Следовательно, добавление RDL на один лишь кристалл позволяет добиться охлаждения всей системы на несколько градусов, при неизменной температуре на схожих элементах конструкций.
В данном случае сборки при нормальных режимах работы максимальная температура равна 45,1oC, температура бампов, расположенных на стеках равна 26,9oC, бампов, расположенных непосредственно на RDL слоях -29,9 oC, TSV - 26,8oC, RDL слой нагрелся до 27,4oC. В целом температура системы понизи-
лась на один градус, в сравнении с предыдущими результатами.
Следующее термическое исследование проводится на сборке с центральным расположением TSV и наличием RDL на каждом стеке рис. 6.
б
Рис. 6. Термический анализ 3D-сборки с центральным расположением TSV и наличием RDL на каждом стеке: а - общий вид, б - разрез
В данном случае максимальная температура сборки достигла 44 oC, самый нагретый элемент - RDL (стек) 42,9 oC, в то время как нагрев RDL на подложке достиг 27,5 oC, температура TSV равна 40,7 oC, бампы - 39,06 oC.
По итогам термических исследований получаем, что использование RDL-слоя в составе 3D-DRAM приводит к снижению температуры всей системы на 2-3 oC, но в то же время температура составных элементов увеличивается примерно на 10 oC.
Данный эффект может быть вызван из-за выбора золота в качестве материала для перенаправляющего слоя [7]. На основе результатов термических исследований типов сборки и их конечной стоимостью, была составлена табл. 3.
Как видно из табл. 1 и 3 вариант сборки «Ребро+Центр RDL» является наиболее оптимальным с точки зрения стоимости.
Таблица 3
Сравнение термического исследования 3D-сборок с их конечной стоимостью
Температура при нормальных режимах
Тип сборки работы, oC Итоговая стоимость
Максимальная общая Bump TSV RDL
Центр + Центр 46 27 29 - Минимальная
Ребро+Нецентр 47 25 27 - Максимальная
Ребро+Центр RDL 45 25 27 27 Высокая
Центр RDL+ Центр RDL 44 39 41 43 Высокая
Заключение
Были построены модели различных типов 3D TSV. Для дальнейшего термического исследования каждому элементу модели был присвоен свой материал, выявлены зависимости нагрева всей системы от расположения элементов в ней. По результатам теплоанализа выяснено, что конструкция типа «центр RDL+ центр RDL» имеет самый низкий показатель нагрева (44 oC), при средней стоимости конечного изделия, что на фоне других исследуемых конструкций делает её самой оптимальной. В результате исследований было отмечено понижение рабочих температур, при использовании золотого перенаправляющего слоя, что послужило поводом для проведения температурного анализа выявления зависимости показания температур от выбранного материала.
Литература
1. Samal S.K. Full chip impact study of power delivery network designs in monolithic 3D ICs // IEEE Int. Conf. on
Computer-Aided Design. Nov 2014. Pp. 565-572.
2. Zhao X., Scheuermann M., and Lim S.K. Analysis and Modeling of DC Current Crowding for TSV-Based 3-D Connections and Power Integrity // Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology. 2014. Vol. 4. № 1. Pp. 123-133.
3. Cho J. Modeling and Analysis of Through-Silicon Via (TSV) Noise Coupling and Suppression Using a Guard Ring // IEEE Trans. on Components, Packaging, and Manufacturing Technology. 2011. Pp. 220-233.
4. Araga Y. Measurements and Analysis of Substrate Noise Coupling in TSVBased 3-D Integrated Circuits // IEEE Trans. on Components, Packaging, and Manufacturing Technology. 2014. Vol. 4. № 6. Pp. 1026-1037.
5. Kim D.H., Mukhopadhyay S., and Lim S.K. Fast and Accurate Analytical Modeling of Through-Silicon-Via Capacitive Coupling. // IEEE Trans. on Components, Packaging, and Manufacturing Technology. 2011. Vol. 1. № 2. Pp. 168180.
6. Liu C. Full-chip TSV-to-TSV coupling analysis and optimization in 3D IC // in Design Automation Conference, 48th ACM/EDAC/IEEE, 2011. Pp. 783-788.
7. Park A.-Y. Thermo-mechanical simulations of a copper-to-copper direct bonded 3D TSV chip package interaction test vehicle // in IEEE Electronic Components and Technology Conf. 2013. Pp. 2228-223.
Поступила 07.06.2019; принята к публикации 29.07.2019 Информация об авторах
Хараджиди Дмитрий Аркадьевич - аспирант, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), инженер-электроник, АО «Научно-исследовательский институт электронной техники» (394033, Россия, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 5), e-mail: dema1007@rambler.ru
Багнюков Кирилл Николаевич - канд. техн. наук, инженер-технолог I категории, АО «Научно-исследовательский институт электронной техники» (394033, Россия, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 5), e-mail: kirillbagnyukov@gmail.com Ципина Наталья Викторовна - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: tcnv@mail.ru
Муратов Александр Васильевич - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: kipr@vorstu.ru
EFFECT OF LOCATION TSV AND RDL ON THERMAL DISTRIBUTION IN 3D-DRAM
D.A. Kharajidi12, K.N. Bagnyukov2, N.V. Tsipina1, A.V. Muratov1
1 Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 2JSC "Research Institute of Electronic Technology", Voronezh, Russia
Abstract: the article reviews 3D design features - DRAM (dynamic random-access memory) of integrated circuits (IC) assemblies, with different arrangement of TSV (through silicon through), protrusion (bump - solder ball), the presence/absence of RDL (redistribution layer) on the crystals of the stack and logic. The dependence of the influence of the position of key elements on the heat release of each individual assembly element and the entire system as a whole is investigated. For thermal studies, 4 versions of the 3D-IC design were proposed, depending on the location of TSV and RDL for memory and logic: edge + non-center, center + center, edge + center + RDL and center + RDL + center + RDL. Each key element of the assembly is assigned the properties of their real prototypes, such as density, melting point, thermal conductivity, thermal expansion coefficient, and specific heat of fusion. Thermal research carried out with the help of modern automated design systems. The work determined the most optimal variant of the cost and heat dispassion of assembly
Key words: TSV, 3D-assembly, RDL, modeling, design, thermal analysis
References
1. Samal S.K. "Full chip impact study of power delivery network designs in monolithic 3D ICs", IEEE Int. Conf. on Computer-Aided Design, Nov 2014, pp. 565-572.
2. Zhao X., Scheuermann M., Lim S.K. "Analysis and modeling of DC current crowding for TSV-based 3-D connections and power integrity", Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, Jan 2014, vol .4, no. 1, pp. 123-133.
3. Cho J. "Modeling and analysis of through-silicon via (TSV) noise coupling and suppression using a guard ring", IEEE Trans. on Components, Packaging, and Manufacturing Technology, 2011, pp. 220-233.
4. Araga Y. "Measurements and analysis of substrate noise coupling in TSV-based 3-D integrated circuits", IEEE Trans. on Components, Packaging, and Manufacturing Technology, June 2014, vol. 4, no. 6, pp. 1026-1037.
5. Kim D.H., Mukhopadhyay S., Lim S.K. "Fast and accurate analytical modeling of through-silicon-via capacitive coupling", IEEE Trans. on Components, Packaging, and Manufacturing Technology, Feb 2011, vol. 1, no. 2, pp. 168-180.
6. Liu C. "Full-chip TSV-to-TSV coupling analysis and optimization in 3D IC", Design Automation Conference, 2011 48th ACM/EDAC/IEEE, 2011, pp. 783-788.
7. Park A.-Y. "Thermo-mechanical simulations of a copper-to-copper direct bonded 3D TSV chip package interaction test vehicle", IEEE Electronic Components and Technology Conf., May 2013, pp. 2228-2234.
Submitted 07.06.2019; revised 29.07.2019 Information about the authors
Dmitriy A. Kharajidi, Graduate Student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), Engineer, JSC "Research Institute of Electronic Technology" (5, Staryh Bolshevikov, Voronezh, 394033, Russia) e-mail: de-ma1007@rambler.ru
Kirill N. Bagnyukov, Cand. Sc. (Technical), Engineer of the I category, JSC "Research Institute of Electronic Technology" (5, Staryh Bolshevikov, Voronezh, 394033, Russia) e-mail: kirillbagnyukov@gmail.com
Nataliya V. Tsipina, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia) e-mail:tcnv@mail.ru
Aleksandr V. Muratov, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia) e-mail: kipr@vorstu.ru
