Высокие требования к пропускной способности, предъявляемые нагрузками искусственного интеллекта, побуждают производителей полупроводников переходить к корпусам 2.5D и 3D, в которых несколько кристаллов или Chiplet объединяются на небольшой площади с высокой плотностью соединений. Однако увеличение числа соединений само по себе не решает проблему производительности: напротив, оно усложняет управление теплом, механическими напряжениями и электромиграцией внутри корпуса.
В анализе, опубликованном в Semiconductor Engineering 20 августа 2026 года, рассматривается роль интерпозера (Interposer), или промежуточного слоя, в решении этих задач. В нём представлены результаты исследований теплового расширения материалов, деформации корпуса, повреждения слоёв перераспределения соединений, а также влияния микроструктуры меди на срок службы соединительных линий.
Почему промышленность переходит к 2.5D?
Корпуса 3D обеспечивают максимально возможную плотность соединений за счёт вертикальной укладки кристаллов с использованием технологии гибридного соединения и сквозных кремниевых переходов (TSV). Однако такая тесная интеграция создаёт серьёзные проблемы с выравниванием, тестированием и надёжностью. Отвод тепла также становится сложнее, поскольку объём активных устройств растёт быстрее, чем доступная площадь для рассеивания тепла. Повышение температуры может привести к расширению TSV, а затем к возникновению напряжений, вызывающих трещины или расслоение между слоями.
В отличие от этого, в корпусах 2.5D кристаллы размещаются на пассивном интерпозере, который перераспределяет сигналы между несколькими кристаллами либо между ними и подложкой корпуса. Такой промежуточный слой обычно содержит проводники, а иногда конденсаторы и резисторы, но не включает транзисторы или другие переключатели. Поэтому с точки зрения производства и моделирования он проще активных схем, а часть проблем надёжности трёхмерных корпусов удаётся избежать.
Однако пассивный характер интерпозера не означает, что его проектирование просто. Он должен обеспечивать соединения и механическую опору, а также участвовать в отводе тепла, тогда как корпус состоит из материалов, которые сильно различаются по коэффициенту теплового расширения (CTE). Кремний и медь обладают сравнительно низким коэффициентом расширения, тогда как подложка корпуса, компаунд и органические материалы Underfill расширяются в большей степени.
Тепловая деформация не имеет простой формы
При нагреве и охлаждении корпуса во время производства или при выделении резистивного тепла во время работы слои расширяются и сжимаются с разной скоростью. В корпусе с одним кристаллом такое поведение относительно проще моделировать, однако тепло во время работы распределяется неравномерно: оно зависит от сигнальных трактов и рабочих режимов внутри кристалла.
При интеграции нескольких кристаллов сложность возрастает. Два соседних кристалла могут создавать противоположно направленные напряжения в интерпозере и расположенной под ним подложке, что приводит к деформации, напоминающей седло, а не простому вогнутому или выпуклому изгибу. Кроме того, усиление определённой области для предотвращения выпучивания может перенести напряжение в другую область, а не устранить его. В результате может произойти отказ соединения между интерпозером и подложкой либо расслоение слоёв перераспределения соединений (RDL).
Hakjun Kim и его коллеги из Seoul National University установили, что термомеханический отказ является одной из наиболее сложных проблем надёжности в корпусах 2.5D. Ming-Sheng Luo и его команда из South China University of Technology определили расстояние между кристаллами и соединение между интерпозером и компаундом как области, подверженные отказам, в модели с двумя кристаллами и тремя слоями перераспределённых соединений. Для более крупных корпусов исследователи предложили использовать фиктивные кристаллы — неактивные кремниевые пластины — для балансировки напряжений.
Проблема не ограничивается температурой. Поглощение влаги может привести к расширению материалов с разной скоростью, а влажностное поведение материала не обязательно совпадает с его тепловым поведением. Это добавляет ещё одну нагрузку на модели надёжности, особенно в корпусах Fan-Out Wafer-Level Package.
Электромиграция в медных линиях
По мере увеличения плотности тока внутри корпуса электромиграция становится всё более важной причиной отказа соединений. Это явление возникает, когда высокий ток постепенно перемещает атомы металла, что может привести к образованию пустот или повреждению линий.
Yi-Quan Lin и его коллеги из National Yang Ming Chiao Tung University изучили влияние кристаллической структуры медных линий, изготовленных методом гальванического осаждения. Результаты показали, что медь с нанокристаллической структурой может обладать повышенной склонностью к электромиграции, по-видимому, потому что границы зёрен облегчают диффузию. Медь с нанодвойниковой структурой, особенно после термической обработки, имела сильную кристаллографическую текстуру типа (111) и высокую долю когерентных границ двойникования, что помогало ограничивать образование оксидов и пустот.
Другое исследование, связанное с ASE Group, показало, что линии с более мелкими зёрнами имели срок службы примерно в семь раз больше, чем линии с более крупными зёрнами, в исследованных структурах RDL во время работы. Это указывает на то, что управление микроструктурой может стать способом повышения надёжности без использования только легирующих добавок или изолирующих слоёв внутри траншей — решений, которые могут увеличить сопротивление цепи или усложнить производство.
Что меняется на практике?
Оценивать проектирование интерпозера только с точки зрения плотности сигналов или длины маршрутов недостаточно. Выбор материала, размещение кристаллов, толщина слоёв, структура меди и расположение соединений — всё это влияет на тепловые пути, напряжения и срок службы корпуса. Решение, уменьшающее деформацию в одной области, может увеличить риск расслоения в другой.
Поэтому исследователи переходят к суррогатным моделям на основе глубокого обучения. Моделирование методом конечных элементов позволяет с высокой точностью изучать отдельные области, однако его применение ко всем областям и слоям сложного корпуса становится вычислительно затратным. Первые результаты показывают, что многомасштабные модели глубокого обучения могут снизить необходимость повторного выполнения конечно-элементного анализа для каждого случая и обеспечить практический способ прогнозирования деформации и нелинейного поведения в более крупном масштабе. Эти модели не означают отказа от физического моделирования: они могут выступать в качестве суррогатных моделей, ускорять исследование вариантов конструкции и определять случаи, требующие более детального анализа.