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1、微互连综述,微互连的应用实例,半导体激光器应用于PCB的钎焊,光电子封装-Optoelectronics,微互连的定义及特点,定义： 当被连接的材料尺寸非常微细时，在传统焊接方法中可忽略的因素可能对连接过程和质量起到关键的作用，为适应这些作用的影响而设计的新的连接方法。要求的特殊性 电性能优先，可靠性结构的特殊性 从力学的角度可能不合理材料的特殊性 薄膜、厚膜、丝、球、箔、复合结构过程的特殊性 极短的时间、瞬态,微互连的重要性,Interconnection 机械和电气连接互连成为器件结构的一部分，决定器件的性能和可靠性造成失效的主要原因(6080%),微电子制造中的连接技术,芯片上器件之间的
2、互连 薄膜芯片与载体之间的连接 钎焊、共晶钎焊、导电胶芯片与芯片之间的互连 钎焊、超声焊接、热压焊芯片上引脚与引线框架或载体之间的互连 丝焊、钎焊、热压焊、激光焊、电阻焊外壳密封 激光焊接、扩散焊、钎焊、电阻焊器件与印制电路板之间的连接 钎焊、导电胶、电阻焊,主要内容：,微互连,电互连,光互连,第一代,第二代,最新进展,计算机之间,印刷线路板间,芯片之间,计算机内部机柜间,芯片内互连,1.1 引言,随着集成电路技术的发展，特征尺寸的缩小，封装密度和工作频率的不断提高，芯片上互连线的截面积和线间距持续下降。增加的互连线电阻R和寄生电容C使互连线的时间常数RC大幅度的提高。这时，互连线的时间常数R
3、C在集成电路系统延迟中所占的比例越来越大，成为限制互连速度的主要因素。,1 电互连,理想的互连材料应该具有延迟时间短、工作频带宽、损耗小、制造成本低等特点。目前已有大量的研究工作致力于互连技术的研究，如采用低电阻率的金属(Cu及其台金)代替传统的Al，开发研制低介电常数(k)材料用作互连介质代替传统的SiO2等，这些措施都大大提高集成电路中的互连性能 ，缩小其特征尺寸。但是，当集成电路的工作频率迅速提高至几GHz甚至更高时，基于目前的传统金属互连将无法满足传输的要求。这就需要我们突破传统的互连方法引入新的金属互连方法。,目前常用的导体材料,材料,价格（美元吨）,Ag,Cu,Au,Al,4000
4、00,20000000,5000,3000,1.2 第一代互连技术,第一代互连技术是以铝金属互连技术为代表,在介质层上沉积金属层Al；光刻形成互连引线的光刻胶掩膜图形；以光刻胶作掩膜，刻蚀形成金属互连引线的图形。,Al连线的优势,电阻率较低,能承受较密集的电路排列,，只有2.7cm,铝连线易沉积、易刻蚀、工艺成熟,Al连线的缺陷,Al连线电阻增加,互连时间延迟、信号衰减及串扰增加,严重影响电路的可靠性,进入ULSI时代后，随着互连线层数和互连线长度的迅速增加以及连线宽度的减小,1.3 第二代互连技术,第二代互连技术以铜互连技术为代表。1997年9月，IBM和MOTOROLA公司相继宣布成功开发
5、了以Cu代Al制造IC的新技术，即用电镀的方法把Cu沉积到硅圆片上预先腐蚀的沟槽里，然后用化学机械抛光（CMP）使之平坦化，并于1998年两公司先后生产出铜布线的商用高速PC芯片。,Cu互连引线图形加工工艺,Cu互连技术的优点,较低的电阻率(室温下1.7cm),可承受更密集的电路排列,减少所需金属层的数目,较高的抗电迁移性,更长的寿命及稳定性,提高集成密度,降低生产成本,Cu互连技术的缺点,Cu原子在Si和SiO2中扩散，需要引入适当的阻挡层,由于Cu不能产生易挥发的物质，所以用一般的等离子腐蚀不容易制备图形,在空气中易氧化，而且保护层不能阻挡进一步的氧化和腐蚀,1.4 新一代的金属互连技术,
6、集成电路技术的进一步发展必然对互连性能提出更高的要求，不仅要求材料方面的进一步改进，继续挖掘性能优异的导电材料，还要求在互连的结构和设计方面进行革新 。这些要求将加快互连技术的发展速度，使得各种新型互连技术趋于成熟，取代目前Cu互连技术的主导地位。,Ag互连技术,更低的电阻率(室温下1.6cm),相互传输延迟的性能方面比采用Cu作为互连导电材料有7的改进,更密集的电路排列,减少所需金属层的数目,降低生产成本,目前的问题：,在应力迁移，与其他材料的粘附性、集成兼容性等，都远远不及Cu互连,目前还不具备代替Cu互连技术的条件,电互连发展 的瓶颈问题,(1)冯诺伊曼“瓶颈”效应；(2)电互连速度受限
7、；(3)互连带宽问题；(4)时钟歪斜问题；(5)串音问题.,光互连技术,1984年Goodman等人提出集成电路光互连-通过光信号传输, 把光源、互连通道、接受器等组成部分连成一体, 彼此间交换信息。目前光互连已经成为解决电互连问题的关键技术,在国外(美国、日本、欧洲)和国内(华中科大、天津大学等高校和研究所)领域研究的热点。欧洲OLIVES计划的目标是在模块、底板、多芯片模块、芯片层次上实现相应的光互连演示系统。日本主要在开发光底板、线路板和先进处理机系统芯片内部的光互连方面做了许多工作，并对基础性器件的制作技术以及对应用系统的研究日益增强。,2.1 引言,Optical Interconn
8、ection,采用光互连 的原因,(1)光互连的速度与互连通道无关；(2)光学信号在空间可以独立地传播，彼此间不相互干扰；(3)光学信号可以在三维自由空间中传播；(4)光互连可以通过空间光调制器(SI M)适当改变；(5)光学信号非常容易转变成电信号,电互连,光互连,热控制问题,信号失真,色散：互连延迟随频率而变化,衰减：信号衰减随频率而变化,串扰：相邻通道信号的电容和 电感耦合,电源：电源线上的电感和电阻 噪声,互连密度高,集成电路芯片封装密度高,功率耗散低，高数据容量， 热控制易进行,与电子系统相比信号色散小,信号失真小,抗电磁干扰,2.2 按传输介质分类,光互连主要的形式：,1.光纤互连
9、 1)是用硅晶片板作为工作平台，上面采用混合集成方式实现单模光纤互连； 2)是采用板上光纤技术(Fiber-in-board)制作多通道模块，用于实现高速并 行互连。 2.波导互连 1)波导结构与设计 目前普遍采用是EIM（有效折射率法）、BPM（光束传输法）和Eigenmode（本征模法）等。此外十分关注的话题是光电子器件与光波导单片集成的设 计方法。 2)波导光互连技术 聚合物波导研究，最近提出一种真空干燥法，用于产生有效的导波折射率 剖面。最近IRJohnston等人描述了一种制作硅基光波导结构的工艺过程，这种结构适合于在光互连中应用。 3.自由空间互连（ FSOI ） FSOI适合不在
10、同一平面内处理器之间的互连，如线路板之间的连接。FSOI常采用的封装技术是光学和电子器件的多芯片混合封装。封装好的模块由光发射器（指激光器或调制器）、接收器（半导体探测器）、光束传递通道（如HOE）以及所需的电子器件组成。,1.导波光互连,(1)光纤互连,光纤互连是光信号在光纤中传输。光纤的一端准确地固定在光信号源上。另一端准确地固定在光探测器上, 从而实现了信号源与目标的光互连。,Proposed packaging for implementing optical interconnects for ICs.,IC package showing optical cables and me
11、tal pins.,Inter-chip optical interconnects requiring light emitter IC, optic fiber cable, and receiver IC.,光纤互连示意图,(2)波导光互连,波导互连是光信号在波导中传输。光波导的一端与光信号源相连, 另一端与光控制器相连, 波导紧贴在集成线路表面, 不需要额外的三维空间。,Optical coupling scheme between OEs and waveguides (left). Sideview of the coupling mirror (right).,The waveg
12、uides have a pitch of 250 um and a cross section of about 60 um height, 50 um width,波导实例,2.自由空间光互连 自由空间光互连是一种光束在自由空间无导波方式的光互连,(1)全息光互连,Left view A typical single FSO I configuration using CGH,Right view OE-MCM in transmisive configurations,计算机生成全息图(CGH),(a) Schematic drawing of a SPA under testing,
13、(b) a row of sevenVCSBLs pixels emitting light through the integrated microlenses, and (c)far-field image of the emitting beams,（2）微光学方法,-灵巧像素( SPA , Smart Pixel Arrays) 技术,Schematic definition of (a) a smart-pixel array and (b) its unit cell.,灵巧像素及其单元结构,2.3 芯片上光互连技术,芯片上光互连,光发射器件,它接收电信号并将其转换为光信号,光接收
14、器件,它检测光信号并将其转换为电信号,光传输器件,它将光发射器件发射的光信号传输到光接收器件,基本器件,芯片上的光互连核心技术,芯片上的光互连主要是通过波导的形式实现。波导是横截面为矩形的轴对称光信号传输线。它利用波导本身与周围介质折射率的差异实现光沿波导传播。,Power comparison for optical interconnect and electrical interconnect at Cdet=10 fF,光互连与电互连能耗对比,Comparison of the PDP of electrical and optical interconnects,3 光互连性能的优化
15、,光互连系统的模拟图得以展示。该系统主要包括：场外芯片激光器，光调制器，波导和光子探测器。,3.1 发射器和波导延迟,在小宽度(大纵横比)时延时少。但会增加光能的损失以及由于大的模式尺寸而减少波导和发射器的耦合。,3.2 接收器,接收器由两个部分组成：一个是光探测器,把光转换成电流，另一个是放大器，把模拟电流信号转换成数字电压信号。,1 功耗取决于探测器电容,每个发射器在不同的探测器电容下的功耗和输入光能的函数。可知：0.25pF探测器电容是合理的.,功耗取决于输入光能,2 延时,在容忍高的RPD，减少探测器的电容，增加IOP，接收器的延时可以减少。,随着技术的改进，显示改进了接收器的延时和功
16、耗权衡。,4. 光互连的优势,4.1 光发射器和接收器都位于波导的两个末端；相比之下， 电中继器则沿着互连线分布。所以在光互连中可以避免途经拥堵问题。,4.2 超过临界长度，光互连更快.,4.3在不同的技术节点处，光互连更有延时少的优势。,4.4 时钟分配,大的系统和长距离互连时，光互连能保证时钟同步，且时钟分配网络中的全局时钟走线采用光互连，系统的功耗降低很多。此外，光互连还有大带宽、低串扰噪声、低驱动电源等优点。,5. 光互连技术的新发展,5.1 太位自由空间转换加速器网络 实验证明FAST-Net组成的全局光互连系统,具有大的对分带宽，对准误差很小,可获得高的光利用率和低的光串扰。这技术
17、多应用于高速MCM和ATM开关。,5.2 选择性重复填充转移光刻组装技术(PL-pack with SORT) 这种技术的潜力：1）节约资源，简化工艺步骤；2）减少热应力,面临的问题,1.工艺技术方面 光互连中封装和散热是很大问题，特别是基于如MCM和SOC的大系统。对于自由空间光互连，光路的对准技术仍然不很理想。目前光电芯片的单片集成困难很大。所以，光互连技术的实用化有待加强！2.器件材料方面 LED是光互连光源的有力候选者，但它存在响应速度慢和聚光效率差等问题。光探测器的电容大小必须降低，会影响功耗。光调制器的波长稳定性、开启延时和工作电压等也需改善。3.电路设计方面 应尽量减小电光和光电
18、的接口电路串扰、降低功耗和反应时间、提高工艺变化的兼容性。另外，光互连器件的模型、模拟软件和综合工具的开发和提出很重要。4.成本方面 现有很多光互连方面的成果是基于实验室研究，成本很高，很难实现批量化生产。,总 结存在的问题及前景展望,1. 成本问题2. 光源与探测器的集成问题3. 关于器件的定位和封装问题,从目前发展的趋势来看, 聚合物波导制作技术及其应用以及自由空间光互连技术都是发展的重点。光互连有可能在A TM 数字交换系统中得到大量应用, 在电子计算机的导板互连和多芯片组件内互连方面也将有广泛应用, 但在超大规模并行计算机中的应用则还有漫长的路要走。,光互连技术的展望,1 对光互连的研究，以美、日、欧洲为中心日趋高涨，国内高校和研究所应抓住机会，积极推动这领域的研究。2 作为解决因集成电路特征尺寸按比例缩小而引起的无法克服的困难,光互连仍是研究的热点。3 一些用于光互连的分立器件的特性已接近设计的指标,但对于分立器件的集成,至少在今后很长时间内,还是以采用混合集成的方法为主。4 采用波导光互连的集成光路,减少波导的传输损耗和降低散射尤为重要。5 光互连应用到并行多处理器计算机之间的高速数据传输、高速MCM、ATM开关和一些传感器的互连。6 金属互连仍然在电路系统中扮演重要的角色，光互连的实用化还需走很长的路。,
