Att "stacka" chips på varandra är en allt populärare metod för att öka kapaciteten i allt mindre kapslar. Kretsar med två eller tre minneschips staplade ovanpå varandra används redan nu på bred front i mobiltelefoner, och en handfull halvledarleverantörer volymproducerar även kretsar med fyra chips på höjden.

På sistone har Infineon, Fujitsu och Intel presenterat nya intressanta staplingsgrepp för att tillverka ännu kompaktare kretsar.

Infineons bidrag bygger på en ny lödteknik döpt till Solid, Solid liquid interdiffusion, som presenterades i mitten av augusti. Kapslarna blir så pass tunna att de kan användas i smarta kort, men företaget hoppas att staplingstekniken även ska finna sin plats i framtida mobiltelefoner.

- Vi använder mycket små kontakter, och förbindningen mellan de båda chipsen är så kort som möjligt. Därför kallar vi tekniken för chipsintegration istället för chipsmontering, säger Holger Hübner på Infineon.

För att förklara principen beskriver Infineon en så kallad SIP, System In Package, där ett styrkretschips samsas med ett minneschips. Det ena chipset, exempelvis minnet, vänds upp-och-ner (flip-chip) så att chipsen så att säga ligger ansikte mot ansikte.

På de båda chipsytorna appliceras ett 5 μm tunt kopparlager med ledare och minimala kontaktpunkter som ska förbinda de båda chipsen.
Det undre chipset, alltså styrkretsen, förses även med lödöar längs kanterna för att ansluta de förenade chipsen till kapseln med hjälp av trådbondning. Kopparlagret kan även användas för att integrera exempelvis byglar, spolar och andra passiva komponenter.

Därefter appliceras ett mycket tunt lager lödtenn - endast 3 μm tjockt - mellan de båda chipsen, som sedan pressas samman och hettas upp till mellan 270 och 300 °C, vilket är en förhållandevis låg temperatur. Trots det sägs resultatet klara höga temperaturer, över 600 °C.

Höga hastigheter

De minimala kontaktpunkterna mellan chipsen ger enligt Infineon en mycket låg parasitinduktans och -kapacitans jämfört med lödkulorna i en BGA-kapsel eller med lödöarna mellan traditionellt staplade chips. Finessen är att kretsarna därmed klarar höga signalhastigheter och god signalintegritet.

- Tack vare de mycket korta förbindningarna kan vi uppnå frekvenser på 200 GHz och högre, säger Holger Hübner.

Infineon har dessutom minskat tjockleken på kiselskivorna från 120 μm till 60 μm, för att hålla nere höjden på den kombinerade kapseln.

Den första Solidprototypen är styrkrets för smarta kort med 160 kbyte ickeflyktigt minne, fem gånger mer än gängse smartkortsstyrkretsar. Om ett år räknar företaget med att starta volymproduktion.

Tunna chips utan kemi

Fujitsu har valt ett annat angreppssätt. Företaget strävar efter att stapla fler chips på varandra än vad som är möjligt i dagsläget och har börjat utveckla en flerchipskapsel (MCP) som ska klara upp till åtta staplade chips.

Ska man stapla så pass många chips på varandra är det av naturliga skäl nödvändigt att de ingående chipsen är så tunna som möjligt för att kapseln inte ska bli för hög. Och Fujitsu har utvecklat en miljövänlig metod för att skapa mycket tunna kiselskivor utan att behöva använda kemikalier.

Redan om cirka ett år räknar företaget med att kunna massproducera 25 μm tunna chips. Därmed ska man kunna stapla sex chips på varandra i en 1,4 mm hög kapsel. Ytterligare två chips ska kunna adderas med hjälp av ny kapslingsteknik, där tre substrat med ett antal chips vardera staplas ovanpå varandra.

Intel filar på ett antal nya staplingstekniker. En del väntas nå marknaden först om några år, men i närtid väntas en metod som går ut på att vika ihop substratet, ungefär som man viker ett papper. Två eller flera chips monteras sida vid sida på ett flexsubstrat, som sedan viks ihop så att chipsen hamnar ovanpå varandra.

Redan i år väntas en prototyp med tre chips i en kapsel lägre än 1 mm. Produktionen ska börja år 2003. Tekniken, som är utveck-lad tillsammans med amerikanska Tessera, sägs vara enklare och kräva färre arbetsmoment jämfört med traditionella staplingsmetoder som utnyttjar trådbondning.

Tessera har även utvecklat en fyrachipslösning i en 1,2 mm kapsel och utvecklar nu vikta varianter med fler än fyra chips. Dessa ska bland annat förena minnen med asicar, exempelvis basbandsprocessorer och andra halvledare med många anslutningar.

Charlotta von Schultz