הדרך למצעי IC מורכבים עוברת במערכות מדידה ובקרת תהליכים

תעשיית האלקטרוניקה שואפת להשתפר ברמת הביצועים, תוך צמצום צריכת האנרגיה. לשם כך עולה הצורך לייעל את הארכיטקטורה של השבב, שנעשה מורכב וצפוף יותר, וזה המקום בו טכנולוגיית ייצור ה-ICS (ר"ת Integrated Circuit Substrates) נכנסת לתמונה.

ICS זו שכבת ביניים, המחברת בין מארזי השבבים, אותם ניתן לכנות ה"מוח”, לבין לוחות המעגלים המודפסים, המהווים את "הגוף". בעוד ששבבי הסיליקון מכילים רכיבים בסדרי גודל ננומטרים, המעגלים המודפסים, העשויים מפולימרים שונים, והרכיבים שבהם, מגיעים לגודל של עשרות בודדות של מיקרונים. כך נדרש מצע ה-IC לגשר בין ה"מוח" ל"גוף", המתאפיינים ברזולוציית הולכה שונה.

על מנת להוכיח כדאיות כלכלית ללקוחות, יצרני ICS חייבים להראות נצילות ואמינות ברמות הגבוהות ביותר. אלו מושגים על ידי מצעי IC, המהווים את הגורם המחבר בין כל הרכיבים במארז השבבים המתקדם והמשופע בביצועים

כתוצאה מכך, מצע ה-IC נראה כמו סנדוויץ' רב-שכבתי, שיכול להגיע אף ל-20 שכבות, וכולל גם שכבת ליבה שתפקידה להקנות יציבות ועמידות למארז השבבים. שכבות מצע ה-IC כוללות תעלות הולכה בצפיפות גבוהה, ומעליהן המעגלים המודפסים. תעלות אלו מעבירות את הסיגנל החשמלי, מצד אחד של הסנדוויץ' לצד השני, או אם תרצו מהמוח לגוף. בשכבה העליונה, מעל המעגלים המודפסים בעלי הרזולוציה הגבוהה ביותר, מורכבים כל המודולים והמארזים. ואגב, ככל שרכיב מורכב מיותר שכבות, כך הביצועים שלו רבים ומשוכללים יותר.

שבב פגום אחד הורס את המכשיר כולו

יש היום לפחות שלוש מגמות המשפיעות על עולם המוליכים למחצה, המארזים המתקדמים, ומזעור מצע ה-IC: הראשונה היא הדרישה הגוברת למוצרי צריכה אלקטרוניים, לרבות מכשירים ניידים בעלי פונקציונליות גבוהה; השנייה היא התבססות של טכנולוגיות תקשורת מתקדמות בעולם כגון 5G; והשלישית היא הדרישה הצומחת למחשוב-על עם תפוקה גבוהה (HPC), בשילוב עם יישומי AI מתקדמים.

על מנת להוכיח כדאיות כלכלית ללקוחות, יצרני ICS חייבים להראות נצילות ואמינות ברמות הגבוהות ביותר. אלו מושגים על ידי מצעי IC, המהווים את הגורם המחבר בין כל הרכיבים במארז השבבים המתקדם והמשופע בביצועים. חשוב לזכור כי מדובר במארזים עתירי שכבות, בעלי פונקציונליות גבוהה, ואפילו פגם קטן אחד במבנה הארכיטקטוני של מצע ה-IC עלול לפגוע בתפקוד של רכיב מסוים, או אף לפסול את המכשיר כולו.

קיים ריבוי אתגרים בייצורם כיום. שבבים. צילום: אילוסטרציה. שאטרסטוק

האתגרים בדרך להשגת תפוקה ואמינות גבוהות

אם בעבר כל יחידה חיברה שבב אחד ללוח אחד, הרי שהיום באמצעות המארזים המתקדמים כל יחידה יכולה להכיל מספר שבבים, מסוגים שונים (זיכרון, לוג'יק, אנטנה ועוד), ולהעשיר את הפונקציונליות שלה. לכן, מצעי ה-IC מכילים יותר 'קומות' לתמיכה במארזים מורכבים ובאינטגרציות רבות יותר.

להלן מספר אתגרים העומדים בפני יצרני ה-ICS:

• השכבה המבודדת עשויה מחומר פולימרי יקר בשם ABF (ר"ת build-up film Ajinomoto), המבודד בין השכבות המוליכות. הצורך לוודא שמרקם השכבה הפולימרית אחיד, ואינו מכיל בועיות פנימיות, היכולות לגרום לפגיעה בבידוד החשמלי ולפסילת מצע ה-IC – הוא מאתגר. 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.
• תהליך הייצור של מצעי ה-IC כולל ייצור של מוליכי נחושת מודפסים, בצפיפות גבוהה, המהווים את השכבה המוליכה. האתגר הראשון הכרוך בכך מתקשר לכתיבת המוליכים עצמם (ליטוגרפיה), המחייבת רמת דיוק ורזולוציה גבוהות, שכן נתקים ופגמים במוליכים המודפסים עלולים לשבש את המעבר של הסיגנל החשמלי, וכל אזור יקבל כמות שונה של זרם. האתגר השני כרוך בהקפדה על יישור ותאימות מושלמת בין השכבות, כך שהמוליכים ימוקמו במדויק מעל המוליכים בשכבה שמתחתם, תוך כדי התגברות על העובי המשתנה של השכבות. כל זאת כדי לאפשר העברת זרם מקסימלית בין השכבות.
• תהליך הייצור של ה-ICS כולל קידוח של תעלות הולכה חשמלית 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 ומצריך דיוק גבוה יותר, בהתאמה לשכבה התחתונה.

אבל האתגר הראשי קשור, כמו תמיד, לעלויות הגבוהות, וכדי להתמודד עימו חייבים היצרנים לייעל תהליכים ולצמצם למינימום את הפגמים. אין ספק כי מערכות בקרה ומדידה איכותיות יסייעו ליצרנים לנטר את העובי ולשמור על אחידות רכיבי ה-ICS. מערכות כתיבה וקידוח בלייזר יסייעו להם ביצירת מוליכים וקידוחים אחידים ברזולוציה גבוהה, ושימוש בפתרונות תוכנה ואוטומציה יאפשרו לבצע אנליזות, אופטימיזציה ופנליזציה לייעול מקסימלי של תהליכי הייצור המורכבים. אסטרטגיות חדשות בתהליך הייצור של ה-ICS, תוך שימוש במערכות בקרה אוטומטיות (AOI), יתרמו לצמצום הפגמים ושיפור התפוקה.

הכותבת היא מנהלת שיתופי פעולה אסטרטגיים בחטיבת המארזים והרכיבים האלקטרונים ב-KLA