18 דצמבר 2023 | מערכת StartIsrael
בחסות - מערכת חסות
הדרך למצעי IC מורכבים עוברת דרך מערכות המדידה ובקרת התהליכים של KLA

תעשיית האלקטרוניקה, מעצם טבעה, שואפת כל הזמן להשתפר ברמת הביצועים ובד בבד, לצמצם את צריכת האנרגיה. החזון הזה מחלחל פנימה לתוך הרכיבים הקטנים שמייצרת התעשייה ופוגש את השבב הזעיר

קרדיט לתמונות: KLA
הדרך למצעי
IC מורכבים עוברת דרך מערכות המדידה ובקרת התהליכים של KLA

מאת: ד"ר נאוה שפיזמן

קרדיט לתמונות: KLA













התעשייה מחויבת היום, יותר מתמיד, לייעל את הארכיטקטורה של השבב, אשר משנה לשנה נעשה מורכב יותר וצפוף יותר, מבחינת הרכיבים שהוא מכיל והחיבורים ביניהם. זה בדיוק המקום בו טכנולוגית ייצור  ה- Integrated Circuit Substrates (ICS) נכנסת לתמונה.

ראשית, נבין מה זה מצע IC. ובכן, ICS זו שכבת ביניים, המחברת בין מארזי השבבים, אותם ניתן לכנות ה"מוח, לבין לוחות המעגלים המודפסים (PCBs) אותם ניתן לכנות "הגוף". בעוד השבבים עשויים סיליקון ומכילים רכיבים בסדרי גודל ננומטרים, המעגלים המודפסים עשויים מפולימרים שונים והרכיבים בהם מגיעים לגודל של עשרות בודדות של מיקרונים. כך האתגר של מצע ה- IC הוא לגשר בין ה"מוח" ל"גוף", כאשר כל אחד מהם מתאפיין ברזולוציית הולכה שונה לחלוטין.

כתוצאה מכך, מצע ה- IC נראה כמו סנדוויץ' רב-שכבתי, שיכול להגיע אף ל- 20 שכבות ולרוב הוא כולל גם שכבת ליבה אמצעית שתפקידה להקנות יציבות ועמידות למארז השבבים. בין שכבות מצע ה- IC תוכלו למצוא תעלות הולכה (Vias) שנקדחו בצפיפות גבוהה, ומעליהן מונחים המעגלים המודפסים.  תעלות נחושת אלו מעבירות  את הסיגנל החשמלי, מצד אחד של הסנדוויץ' לצד השני, או מן המוח לגוף. רזולוציית המעגלים המודפסים הולכת ומשתנה בהדרגה, מן הקצה עם הרזולוציה הנמוכה לעבר זה עם הרזולוציה הגבוהה, במטרה להעביר את הסיגנלים בצורה חלקה. בשכבה העליונה, מעל המעגלים המודפסים בעלי הרזולוציה הגבוהה ביותר,  מרכיבים את כל המודולים והמארזים. ואגב, ככל שרכיב מורכב מיותר שכבות כך הביצועים שלו רבים ומשוכללים יותר.

פגם קטן בשבב אחד עלול להרוס את המכשיר כולו

יש היום לפחות שלוש מגמות מרכזיות המשפיעות על עולם המוליכים למחצה והמארזים המתקדמים: הראשונה - הדרישה הגוברת למוצרי צריכה אלקטרוניים בכלל, ולמכשירים ניידים בפרט. על מנת לספק לצרכנים מכשירים נישאים, קומפקטים ובעלי פונקציונליות גבוהה יש צורך בפיתוח רכיבים אלקטרוניים מורכבים אלה. המגמה השניה היא כמובן ההתבססות של טכנולוגיות תקשורת מתקדמות בעולם, כגון 5G, והשלישית - הדרישה הצומחת למחשוב-על עם תפוקה גבוהה (HPC), בשילוב עם יישומי AI מתקדמים וגורמים נוספים, שממקדים את מאמצי היצרנים במיקסום הביצועים.

על מנת לאפשר את כל החדשנות שיכולה לנבוע ממגמות אלה, נדרשים יצרני מצע ה- IC למזער אותו בהתאמה לפיתוחים בשוק המוליכים למחצה והמארזים המתקדמים.

מהם הגורמים החשובים ביותר בייצור ICS?

היקף הנצילות ורמת האמינות הם הגורמים החשובים ביותר בתהליך הייצור של ICS. הארכיטקטורה של השבבים נעשית יותר ויותר מורכבת, ולכן מחייבת את התמיכה של מצע ה- IC  אשר יודע לספק את החיבוריות הנדרשת בין כל הרכיבים במארז השבבים המתקדם, ולהבטיח שיפור בביצועים. חשוב גם לזכור כי מדובר במארזים עתירי שכבות, בעלי מורכבות ופונקציונליות מאד גבוהות, ואפילו פגם קטן אחד במבנה הארכיטקטוני של מצע ה- IC עלול להוביל לחוסר תפקוד של רכיב מסוים או אפילו לפסילת המכשיר האלקטרוני כולו.  

לכן, למרות המורכבות ההולכת וגדלה, כדי להישאר תחרותיים, להוכיח כדאיות כלכלית ולהשביע את רצון הלקוחות, יצרני ICS חייבים להוכיח נצילות ואמינות ברמה הגבוהה ביותר. 

האתגרים בדרך להשגת תפוקה ואמינות גבוהות

אם בעבר כל יחידה חיברה שבב אחד ללוח אחד, הרי שהיום באמצעות טכנולוגית המארזים המתקדמים כל יחידה יכולה להכיל מספר שבבים, מסוגים שונים (זיכרון, לוג'יק, אנטנה ועוד) וכך מתקבלת יחידה אחת עם פונקציונליות מאד גבוהה. מסיבה זו מצעי ה- IC עבים יותר ומכילים יותר 'קומות' במטרה לתמוך במארזים מורכבים ובאינטגרציות רבות יותר. להלן מספר אתגרים העומדים בפני יצרני ה- ICS, חלקם מאפיינים את השכבה המבודדת, חלקם את השכבה המוליכה וחלקם את הקידוחים אשר בין השכבות, המאפשרים את התקשורת ביניהן:

1 - השכבה המבודדת: השכבה המבודדת עשויה מ- ABF (build-up film Ajinomoto), שהוא חומר פולימרי יקר, אשר תפקידו לבודד בין השכבות המוליכות. האתגר במקרה זה הוא לוודא שמרקם השכבה הפולימרית אחיד ואינו מכיל פגמים כגון בועיות פנימיות היכולות לגרום לפגיעה בבידוד החשמלי ולפסילת מצע ה- IC. ככל ששכבת ה- ABF דקה יותר, קשה יותר לשמור על אחידותה בזמן תהליך הלמינציה ולכן מדידות של אחידות עובי השכבה חשובות למניעת פגמים במהלך הייצור.

2 - השכבה המוליכה: חלק מתהליך הייצור של מצעי ה- IC כולל ייצור של מוליכים מודפסים בצפיפות גבוהה. ישנם שני אתגרים מרכזיים בייצור מוליכי הנחושת הללו, האחד עוסק בכתיבת המוליכים עצמם (ליטוגרפיה) והשני בייצור המוליכים תוך כדי בניית השכבות. ככל שצפיפות המוליכים גדלה, מתחזק הצורך בשיטות כתיבה מדויקות, המאפשרות כתיבה ברזולוציה גבוהה עם מבנה מוליך חלק שכן, נתקים ופגמים במוליכים המודפסים יביאו למצב בו הסיגנל החשמלי לא יעבור בהם בצורה חלקה ובמהירות הרצויה וכל אזור יקבל כמות שונה של זרם.  האתגר הנוסף  הוא  לשמור על יישור ותאימות מושלמת בין השכבות, כך שהמוליכים ימוקמו במקום הנכון והמדויק, מעל המוליכים בשכבה שמתחתם, תוך כדי התמודדות עם שכבות בעלות עובי משתנה, על מנת לאפשר העברת זרם מקסימלית בין השכבות.

3 - תעלות ההולכה החשמלית (Vias): תהליך הייצור של ה- ICS כולל קידוח של תעלות באמצעות לייזר. אלו חייבות להיות בגדלים נכונים ובמיקום מדויק, ולעבור דרך החומר המבודד מבלי לפגוע במצעי הנחושת. ככל שצפיפות המוליכים גדלה, כך גודל הקידוח קטן ודיוק הקדיחה בהתאמה לשכבה התחתונה גדל.


בראש רשימת האתגרים תמצאו את העלויות הגבוהות של חומרי הגלם וריבוי שלבי הייצור. על מנת לעמוד בעלויות אלה חייבים היצרנים  לייעל תהליכים, ולצמצם למינימום את מספר הפגמים שיכולים להיווצר בכל שלב בתהליך, ובכל שכבה של ה- ICS. לשם כך KLA מפתחת ומייצרת מערכות בקרה ומדידה איכותיות, לניטור העובי והאחידות של רכיבי ה- ICS. כמו כן, KLA מייצרת מערכות כתיבה וקידוח בלייזר המאפשרות יצירת מוליכים וקידוחים ברזולוציה גבוהה תוך שמירה על אחידות ודיוק. בנוסף, שימוש בפתרונות התוכנה והאוטומציה של החברה מאפשרים לחברות ייצור מצעי ה-IC לבצע אנליזות, אופטימיזציה ופנליזציה, וכך לייעל בצורה מקסימלית את תהליכי הייצור המורכבים ומרובי-השלבים.

העלייה המהירה ברמת החיבוריות בעולם המוליכים למחצה מציעה הזדמנות לשילוב תהליכים ומתודולוגיות של בקרת תהליכים לרוחב שלושת התחומים שמנינו: חזית המוצר, המארז והשכבות שמרכיבות אותו. אסטרטגיות חדשות בתהליך הייצור של ה- ICS, תוך שימוש במערכות בקרה אוטומטיות (AOI) כמו המערכות של KLA, יתרמו לצמצום הפגמים ושיפור התפוקה.

הכותבת היא מנהלת שיתופי פעולה אסטרטגיים בחטיבת המארזים והרכיבים האלקטרונים

 

תגובות
הוסף תגובה

* אין לשלוח תגובות הכוללות מידע המפר את תנאי השימוש של StartIsrael לרבות דברי הסתה, דיבה וסגנון החורג מהטעם הטוב.