Chips stapelen – waarom niet?

3D-chips en through-silicon vias, we lezen er steeds meer over. Op initiatief van TNO zet een groep Nederlandse machinefabrikanten er zelfs een nieuw bedrijf voor op, naar verluidt omdat de IC-markt daar zelfs om schreeuwt. Maar waarom willen chipmakers eigenlijk van hun vertrouwde draadjes en soldeerbolletjes af?

Paul van Gerven

De analist, de consultant en de onderzoeker zijn het roerend eens: 3D-chips komen er. Dat blijkt althans uit een recente webcast van Semiconductor International, dat de drie had uitgenodigd om hun licht te laten schijnen over through-silicon vias (TSV‘s), verticale verbindingen tussen chips. De vraag die het IC-vakblad stelde was echter niet óf TSV‘s toekomst hadden, maar of ze nu al inzetbaar zijn als alternatief voor de traditionele draadjes ofwel interconnects.

Jan Vardaman van Techsearch International, Philips Garrou van Microelectronic Consultants of North Carolina en Fred Roozeboom van NXP Semiconductors waren ook daar eensgezind over. Ze kwamen alle drie met hetzelfde, actuele voorbeeld dat aantoont dat chips met TSV‘s eigenlijk al zo‘n beetje worden gemaakt. In maart kondigde STMicroelectronics namelijk aan de VD6725-beeldsensor later dit jaar te gaan produceren. Deze camerachip wordt via uitsteeksels rechtstreeks op het moederbord van bijvoorbeeld een mobieltje gesoldeerd en dat scheelt ruimte, tijd en dus kosten. Ook Japanse bedrijven als Oki en Toshiba zijn met dergelijke technologie bezig.

Voor wie beeldsensoren niet hardcore-CMos genoeg zijn, had het drietal ook IBM kunnen aandragen. In april vorig jaar liet Big Blue een geheugenchip zien die zijn stroom krijgt van uitpuilende TSV‘s. Het uiteindelijke product wordt geen geheugen, maar een vermogensversterker die onder meer toepassing vindt in mobieltjes en WLan-adapters. Geheugenmakers als Elpida, Nec en Samsung hebben zich op vergelijkbare oplossingen gestort voor hun producten, met name DRam- en Nand-flashchips.

Communicatielijnen

CMos-camera‘s en de eerste gestapelde geheugenchips, dat is zo‘n beetje de status quo van TSV‘s in de halfgeleiderwereld. Het fenomeen lijkt zich dan ook voorzichtig te verplaatsen van de R&D-afdelingen en onderzoeksinstituten naar de productiefaciliteiten. Maar waarom eigenlijk, wat valt ermee te winnen? En hoe denken de chipmakers het uit te rollen?

Een belangrijke motivatie is ruimte. Gestapelde chips nemen minder plek in, al is dat op zich geen reden om ze dan ook maar met verticale elektrische ’snelwegen‘ te gaan verbinden. Ze kunnen immers ook met delicate draadjes uit de zijkanten aan elkaar worden geklonken. Maar deze wire bonds beginnen nogal een rommeltje te worden, zeker naarmate de integratie van de verschillende componenten intiemer wordt. Er komt dan ook een moment dat de rek uit dit soort 3D-verpakkingen is.

Binnen in de chips zelf is de situatie al niet veel anders. Een Pentium 4-chip – toch al een veteraan in de ICT-wereld – heeft bijvoorbeeld vier lagen bedrading. Met de toenemende complexiteit van processoren wordt dat er niet minder op. Die draden nemen steeds meer kostbare ruimte in en vertragen de hoogfrequentsignalen, wat bijt met de traditie om alles juist kleiner en sneller te maken. De CMos-beeldsensor was de eerste applicatie die tegen dergelijke problemen dreigde aan te lopen. Vandaar de voortrekkersrol in de TSV-saga, naast de al genoemde kosten-, ruimte- en tijdbesparing.

De beeldsensoren voorzien van TSV‘s vertonen overigens bijzonder veel gelijkenis met een meer conventionele verpakkingsmethode, namelijk flip-chiptechnologie. Hierbij worden kleine bolletjes soldeer op de chip aangebracht, waarna de chip wordt omgedraaid en op zijn gewenste plek wordt gedrukt. De overstap naar TSV‘s is derhalve geen revolutie maar een evolutie.

Terug naar het gebrek aan ruimte. Dit dwingt chipmakers ook om hun draadjes dunner te maken en dat komt de elektrische performance niet ten goede. Hoe dunner een draadje, hoe hoger zijn weerstand. Een hogere weerstand heeft een negatieve invloed op het energieverbruik en zorgt er bovendien voor dat elektrische signalen vaker een oppeppertje nodig hebben. Waar een 130-nanometerchip met tweeduizend repeaters kon volstaan, heeft een 45 nm-exemplaar er zo‘n twee tot drie miljoen nodig. Ook hier is de rek er op een gegeven moment uit.

Elektrische beperkingen stuwen ook nog op een andere manier de noodzaak tot verticale verbindingen op. Door de verhoogde weerstand en capacitieve werking in de bedrading worden de signalen vertraagd en verzwakt, zodat de kloksnelheden van de meeste chips nauwelijks boven de 3 GHz uitkomen. Om toch steeds betere prestaties te blijven leveren, zijn AMD, Intel en anderen overgestapt op het maken van meerdere rekenkernen. Dit jaagt op zijn beurt de behoefte aan duur cachegeheugen op, tenzij de bandbreedte toeneemt waarmee de cores met het reguliere geheugen communiceren. TSV‘s bieden die mogelijkheid door de communicatielijnen letterlijk in te korten. Ter illustratie: in IBM‘s prototype vermogensversterker was de afstand die de draden moesten overbruggen maar liefst een factor duizend korter.

Streep door de rekening

Het verbinden van een geheugenchip met een processor om zo prestatiewinst te boeken, is een derde motivatie om aan TSV‘s te doen. Het gaat door onder de naam hetero-integratie. Aan de horizon zijn daar onder de more than Moore-paraplu nog veel wildere dingen mee te bedenken, zoals een volledig geïntegreerd chippakketje dat een DNA-analyse uitvoert, de gegevens verwerkt en draadloos verstuurt. Het op tempo houden van de stelselmatige performanceverbetering in de IC-industrie is derhalve niet de enige drijvende kracht achter TSV‘s, aan de horizon gloort eveneens meer en nieuwe functionaliteit.

Voordat processor en geheugen aan elkaar worden geklonken, wil de halfgeleiderindustrie overigens eerst nog even oefenen. Het stapelen van geheugen op geheugen – homogene integratie – is waarschijnlijk na de CMos-sensoren de volgende grote TSV-applicatie. Eerst DRam, daarna Nand-flash. Samsung heeft al een gestapeld 16 gigabit Nand-geheugen getoond, dat 30 procent dunner is dan een normale wafer, die overigens ook nog wel wat dunner gepolijst kan worden.

De laatste reden om enthousiast te raken over TSV‘s is de meest banale: kosten. Hoewel aan de technologie nu nog een zodanig stevig prijskaartje hangt dat fabrikanten er alleen over na willen denken als het écht moet, wordt zij steeds goedkoper naarmate er meer fabrikanten mee bezig zijn. Het is daarom niet ondenkbaar dat het op een zeker moment kosteneffectiever is om de hoogte in te gaan in plaats van de zoveelste 2D-krimpslag te doen.

Vanzelfsprekend domineren kosten over alle andere motivaties. Technologisch zijn er nog slechts kleine hobbels te nemen, waaronder de het beschikbaar komen van ontwerpregels, de warmteafvoer en de testproblematiek. Theoretisch gezien kunnen kosten altijd een streep door de rekening trekken, maar de verwachting is dat de kosten ’slechts‘ bepalen wanneer meer geavanceerde TSV-evoluties op de markt verschijnen. Fred Roozeboom formuleerde het treffend in de webcast van Semiconductor International: over tien jaar is de vraag niet meer ’Waarom 3D?‘, maar ’Waarom nog steeds 2D?‘.

Productiejaar	2007	2008	2009	2010	2011	2012	2013	2014	2015
Afstand (μm)	10,0	8,0	6,0	5,0	4,0	3,8	3,6	3,4	3,3
Diameter (μm)	4,0	3,0	3,0	2,5	2,0	1,9	1,8	1,7	1,6
Dikte (μm)	50	15	15	10	10	10	10	10	8