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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(60～80%)微电子制造中的连接技术•芯片上器件之间的互连薄膜•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RC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）AgCuAuAl40000020000000500030001.2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①在介质层上沉积金属层Al；②光刻形成互连引线的光刻胶掩膜图形；③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2.7μΩ·cm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1.7μΩ·cm)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•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1.6μΩ·cm)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；(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OpticalInterconnection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(SIM)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光互连导波光互连自由空间光互连光纤互连波导光互连全息光互连微光学光互连2.2按传输介质分类光互连主要的形式：1.光纤互连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I．R．Johnston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。ProposedpackagingforimplementingopticalinterconnectsforICs.ICpackageshowingopticalcablesandmetalpins.Inter-chipopticalinterconnectsrequiringlightemitterIC,opticfibercable,andreceiverIC.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。OpticalcouplingschemebetweenOEsandwaveguides(left).Sideviewofthecouplingmirror(right).Thewaveguideshaveapitchof250umandacrosssectionofabout60umheight,50umwidth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LeftviewAtypicalsingleFSOIconfigurationusingCGHRightviewOE-MCMintransmisiveconfigurations计算机生成全息图(CGH)(a)SchematicdrawingofaSPAundertesting,(b)arowofsevenVCSBLspixelsemittinglightthroughtheintegratedmicrolenses,and(c)far-fieldimageoftheemittingbeams（2）微光学方法---灵巧像素(SPA,SmartPixelArrays)技术Schematicdefinitionof(a)asmart-pixelarrayand(b)itsunitcell.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。PowercomparisonforopticalinterconnectandelectricalinterconnectatCdet=10fF光互连与电互连能耗对比ComparisonofthePDPofelectricalandopticalinterconnects3光互连性能的优化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-packwithSORT)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