As elevadas exigências de largura de banda das cargas de trabalho de inteligência artificial estão levando os fabricantes de semicondutores a adotar encapsulamentos 2.5D e 3D, nos quais vários chips ou Chiplets são reunidos em uma área pequena e com alta densidade de conexões. Porém, aumentar o número de conexões não resolve sozinho o problema de desempenho; em contrapartida, isso aumenta a dificuldade de gerenciar o calor, o estresse mecânico e a eletromigração dentro do encapsulamento.
A análise publicada pela Semiconductor Engineering em 20 de agosto de 2026 concentra-se no papel do Interposer, ou intermediário, no enfrentamento desses desafios. Ela apresenta resultados de pesquisas que abordaram a expansão dos materiais, a deformação do encapsulamento e os danos às camadas de redistribuição das conexões, além do efeito da microestrutura do cobre na vida útil das linhas de conexão.
Por que a indústria está migrando para 2.5D?
Os encapsulamentos 3D alcançam a maior densidade possível de conexões ao empilhar os chips verticalmente usando a tecnologia de ligação híbrida e vias de silício através do chip (TSVs). No entanto, essa integração estreita impõe grandes desafios de alinhamento, teste e confiabilidade. A dissipação de calor também se torna mais difícil, pois o tamanho dos dispositivos ativos aumenta mais rapidamente que a área disponível para a remoção de calor. O aumento da temperatura pode provocar a expansão dos TSVs e, então, gerar tensões que causam rachaduras ou delaminação entre as camadas.
Em contrapartida, os encapsulamentos 2.5D posicionam os chips sobre um Interposer passivo que redistribui os sinais entre vários chips ou entre eles e o substrato do encapsulamento. Esse intermediário normalmente contém fios e, possivelmente, capacitores e resistores, mas não inclui transistores nem outros interruptores. Por isso, ele é mais simples que os circuitos ativos em termos de fabricação e modelagem, evitando parte dos problemas de confiabilidade dos encapsulamentos tridimensionais.
Entretanto, o fato de o Interposer ser um componente passivo não significa que seu design seja fácil. Ele precisa fornecer as conexões, oferecer suporte mecânico e contribuir para a dissipação de calor, enquanto o encapsulamento é formado por materiais que diferem significativamente em seus coeficientes de expansão térmica (CTE). O silício e o cobre têm coeficientes de expansão relativamente baixos, enquanto o substrato do encapsulamento, o composto de moldagem e os materiais orgânicos de Underfill se expandem em graus maiores.
A deformação térmica não produz uma forma simples
Quando o encapsulamento é aquecido e resfriado durante a fabricação, ou quando calor resistivo é gerado durante a operação, as camadas se expandem e se contraem em taxas diferentes. Em um encapsulamento que contém um único chip, pode ser relativamente mais fácil modelar esse comportamento, mas o calor durante a operação não se distribui de maneira uniforme; ele depende dos caminhos dos sinais e dos padrões de operação dentro do chip.
A complexidade aumenta com a integração de vários chips. Dois chips adjacentes podem gerar tensões opostas no Interposer e no substrato abaixo deles, levando a uma forma de deformação semelhante a uma sela, em vez de uma simples curvatura côncava ou convexa. Além disso, reforçar uma determinada área para impedir a flambagem pode transferir a tensão para outra área, em vez de eliminá-la. O resultado pode ser a falha da conexão entre o Interposer e o substrato ou a delaminação das camadas de redistribuição das conexões (RDLs).
Hakjun Kim e seus colegas da Seoul National University constataram que a falha termomecânica representa um dos desafios mais difíceis de confiabilidade em encapsulamentos 2.5D. Ming-Sheng Luo e sua equipe da South China University of Technology também identificaram a distância entre os chips e a conexão entre o Interposer e o composto de moldagem como áreas suscetíveis a falhas em um modelo que contém dois chips e três camadas de conexões redistribuídas. Para encapsulamentos maiores, os pesquisadores propuseram o uso de chips fictícios, que são lâminas de silício nuas, para equilibrar as tensões.
O problema não se limita ao calor. A absorção de umidade pode fazer com que os materiais se expandam em taxas diferentes, e o comportamento higroscópico do material não corresponde necessariamente ao seu comportamento térmico. Isso acrescenta outra carga aos modelos de confiabilidade, especialmente em encapsulamentos Fan-Out Wafer-Level Package.
Eletromigração nas linhas de cobre
Com o aumento da densidade de corrente dentro do encapsulamento, a eletromigração se torna uma causa mais importante de falhas nas conexões. Esse fenômeno ocorre quando a corrente elevada provoca o deslocamento gradual dos átomos do metal, o que pode resultar em vazios ou danos nas linhas.
Yi-Quan Lin e seus colegas da National Yang Ming Chiao Tung University estudaram o efeito da estrutura cristalina das linhas de cobre fabricadas por processos de galvanoplastia. Os resultados mostraram que o cobre com estrutura nanocristalina pode aumentar a suscetibilidade à eletromigração, aparentemente porque os limites dos grãos facilitam a difusão. Já o cobre com maclas nanométricas, especialmente após o tratamento térmico, apresentou uma forte textura cristalina do tipo (111) e uma alta proporção de limites de macla coerentes, o que ajudou a limitar a formação de óxidos e vazios.
Outro estudo associado ao ASE Group indicou que as linhas com grãos menores alcançaram vidas úteis aproximadamente sete vezes maiores que as das linhas com grãos maiores em estruturas de RDL examinadas durante a operação. Isso indica que o controle da microestrutura pode ser uma forma de melhorar a confiabilidade sem depender apenas de aditivos de liga ou de camadas isolantes dentro das trincheiras, soluções que podem aumentar a resistência do circuito ou a complexidade da fabricação.
O que muda na prática?
Não basta avaliar o design do Interposer sob a perspectiva da densidade dos sinais ou do comprimento dos caminhos. A escolha do material, a distribuição dos chips, a espessura das camadas, a estrutura do cobre e as posições das conexões são fatores que influenciam os caminhos do calor, as tensões e a vida útil do encapsulamento. A solução que reduz a deformação em uma área pode aumentar o risco de delaminação em outra.
Por esse motivo, os pesquisadores estão recorrendo a modelos substitutos baseados em aprendizado profundo. A simulação por elementos finitos permite estudar áreas individuais com precisão, mas aplicá-la a todas as áreas e camadas de um encapsulamento complexo se torna computacionalmente dispendioso. Os resultados iniciais indicam que modelos de aprendizado profundo multim escala podem reduzir a necessidade de repetir a análise de elementos finitos em cada caso e oferecer um caminho prático para prever a deformação e os comportamentos não lineares em uma escala maior. Esses modelos não significam eliminar a simulação física; eles podem atuar como modelos substitutos que aceleram a exploração dos designs e identificam os casos que exigem uma análise mais detalhada.