Yapay zekâ yüklerinin yüksek bant genişliği gereksinimleri, yarı iletken üreticilerini 2.5D ve 3D paketlere yöneltiyor. Bu paketlerde birden fazla yonga veya Chiplet, küçük bir alanda ve yüksek bağlantı yoğunluğuyla bir araya getiriliyor. Ancak bağlantı sayısının artması performans sorununu tek başına çözmüyor; aksine paket içindeki ısı yönetimini, mekanik gerilimi ve elektromigrasyonu zorlaştırıyor.
20 Ağustos 2026’da Semiconductor Engineering’de yayımlanan analiz, bu zorlukların ele alınmasında Interposer’ın veya ara katmanın rolüne odaklanıyor. Analiz; malzemelerin genleşmesini, paket deformasyonunu ve bağlantı yeniden dağıtım katmanlarının hasar görmesini ele alan araştırmaların sonuçlarının yanı sıra, bakırın mikroyapısının bağlantı hatlarının ömrü üzerindeki etkisini inceliyor.
Endüstri neden 2.5D’ye yöneliyor?
3D paketler, hibrit bağlama teknolojisi ve silikon üzerinden geçen bağlantılar (TSV’ler) kullanılarak yongaların dikey biçimde istiflenmesi sayesinde mümkün olan en yüksek bağlantı yoğunluğunu sağlıyor. Ancak bu yakın entegrasyon, hizalama, test ve güvenilirlik açısından büyük zorluklar getiriyor. Etkin ısı dağıtımı da zorlaşıyor; çünkü etkin cihazların boyutu, ısıyı uzaklaştırmak için kullanılabilen alandan daha hızlı büyüyor. Sıcaklığın yükselmesi TSV’lerin genleşmesine ve ardından katmanlar arasında çatlaklara veya ayrılmaya neden olan gerilmelerin oluşmasına yol açabilir.
Buna karşılık 2.5D paketler, birden fazla yonga arasındaki veya yongalarla paket altlığı arasındaki sinyalleri yeniden dağıtan pasif bir Interposer üzerine yerleştiriyor. Bu ara katmanda genellikle kablolar ve muhtemelen kapasitörler ile dirençler bulunuyor; ancak transistörler veya başka anahtarlar barındırmıyor. Bu nedenle üretim ve modelleme açısından etkin devrelerden daha basit oluyor ve üç boyutlu paketlerin güvenilirlik sorunlarının bir bölümü önleniyor.
Bununla birlikte, Interposer’ın pasif bir bileşen olması tasarımının kolay olduğu anlamına gelmiyor. Interposer’ın bağlantıları ve mekanik desteği sağlaması, ayrıca ısının dağıtılmasına katkıda bulunması gerekiyor; paket ise ısıl genleşme katsayıları (CTE) büyük ölçüde farklı malzemelerden oluşuyor. Silikon ve bakır nispeten düşük genleşme katsayılarına sahipken paket altlığı, kalıplama bileşiği ve organik Underfill malzemeleri daha yüksek oranlarda genleşiyor.
Termal deformasyon basit bir şekil oluşturmaz
Üretim sırasında paket ısıtılıp soğutulduğunda veya çalışma sırasında direnç kaynaklı ısı oluştuğunda, katmanlar farklı oranlarda genleşip büzülüyor. Tek yongalı bir pakette bu davranışı modellemek görece daha kolay olabilir; ancak çalışma sırasında ısı eşit biçimde dağılmıyor, çünkü ısı dağılımı sinyal yollarına ve yonga içindeki çalışma düzenlerine bağlı oluyor.
Birden fazla yonga entegre edildiğinde karmaşıklık artıyor. Yan yana bulunan iki yonga, Interposer ve bunların altındaki altlık üzerinde zıt gerilmeler oluşturabilir. Bu da basit bir içbükey veya dışbükey bükülme yerine semere benzeyen bir deformasyon şekline yol açar. Ayrıca burkulmayı önlemek için belirli bir bölgenin güçlendirilmesi, gerilimi ortadan kaldırmak yerine başka bir bölgeye aktarabilir. Sonuçta Interposer ile altlık arasındaki bağlantı arızalanabilir veya bağlantı yeniden dağıtım katmanları (RDL’ler) ayrılabilir.
Seoul National University’den Hakjun Kim ve çalışma arkadaşları, termomekanik arızanın 2.5D paketlerdeki en zorlu güvenilirlik sorunlarından biri olduğunu belirledi. South China University of Technology’den Ming-Sheng Luo ve ekibi ise iki yonga ve üç bağlantı yeniden dağıtım katmanı içeren bir modelde, yongalar arasındaki mesafeyi ve Interposer ile kalıplama bileşiği arasındaki bağlantıyı arızaya açık bölgeler olarak tanımladı. Daha büyük paketler için araştırmacılar, gerilmeleri dengelemek amacıyla boş yongaların, yani çıplak silikon dilimlerin kullanılmasını önerdi.
Sorun yalnızca ısıyla sınırlı değil. Nem emilimi malzemelerin farklı oranlarda genleşmesine yol açabilir; ayrıca bir malzemenin nem davranışı, ısıl davranışıyla zorunlu olarak örtüşmez. Bu durum, özellikle Fan-Out Wafer-Level Package paketlerinde güvenilirlik modellerine ek bir yük getiriyor.
Bakır hatlarda elektromigrasyon
Paket içindeki akım yoğunluğu arttıkça elektromigrasyon, bağlantı arızalarının daha önemli bir nedeni hâline geliyor. Bu olay, yüksek akımın metal atomlarını kademeli olarak hareket ettirmesiyle gerçekleşiyor ve hatlarda boşlukların veya hasarın oluşmasına yol açabiliyor.
National Yang Ming Chiao Tung University’den Yi-Quan Lin ve çalışma arkadaşları, elektrokaplama işlemleriyle üretilen bakır hatların kristal yapısının etkisini inceledi. Sonuçlar, nanokristal yapıya sahip bakırın elektromigrasyona yatkınlığı artırabileceğini gösterdi; bunun görünürdeki nedeni, tane sınırlarının yayılmayı kolaylaştırması. Buna karşılık özellikle ısıl işlem sonrasında nanotwin bakır, güçlü bir (111) kristal dokusuna ve yüksek oranda koherent ikiz sınırlarına sahip oldu. Bu yapı, oksitlerin ve boşlukların oluşumunu sınırlamaya yardımcı oldu.
ASE Group ile bağlantılı başka bir çalışma, daha küçük taneli hatların, çalışma sırasında incelenen RDL yapılarında daha büyük taneli hatların ömrünün yaklaşık yedi katına ulaşan ömürler sağladığını belirtti. Bu durum, mikroyapının kontrol edilmesinin güvenilirliği artırmak için bir yöntem olabileceğine işaret ediyor. Böylece yalnızca alaşım katkılarına veya hendek içindeki yalıtkan katmanlara dayanmak gerekmiyor; çünkü bu çözümler devrenin direncini veya üretim karmaşıklığını artırabilir.
Pratikte ne değişiyor?
Interposer tasarımını yalnızca sinyal yoğunluğu veya hat uzunluğu açısından değerlendirmek yeterli değil. Malzeme seçimi, yongaların dağılımı, katmanların kalınlığı, bakırın yapısı ve bağlantıların konumları; ısı yollarını, gerilmeleri ve paketin ömrünü etkileyen faktörlerin tümünü oluşturuyor. Bir bölgede deformasyonu azaltan çözüm, başka bir bölgede ayrılma riskini artırabilir.
Bu nedenle araştırmacılar derin öğrenmeye dayalı vekil modellere yöneliyor. Sonlu elemanlar yöntemiyle yapılan simülasyon, tek tek bölgelerin hassas biçimde incelenmesini sağlıyor; ancak karmaşık bir paketteki tüm bölgelere ve katmanlara uygulanması hesaplama açısından maliyetli hâle geliyor. İlk sonuçlar, çok ölçekli derin öğrenme modellerinin her durum için sonlu elemanlar analizini yeniden yürütme ihtiyacını azaltabileceğini ve deformasyonu ve doğrusal olmayan davranışları daha büyük ölçekte öngörmek için pratik bir yol sağlayabileceğini gösteriyor. Bu modeller fiziksel simülasyonu ortadan kaldırmıyor; bunun yerine tasarım seçeneklerinin araştırılmasını hızlandıran ve daha ayrıntılı analiz gerektiren durumları belirleyen vekil modeller olarak çalışabiliyor.