Chips 3D: TSV vs Microbump

Los chips 3D o con empaquetados 3D, ya han comenzado a ser fundamentales en multitud de aplicaciones, desde las unidades de procesamiento, pasando por las memorias apiladas como la NAND 3D o la HBM, pasando por otros sistemas empotrados. Para interconectar estos dispositivos se pueden usar TSV o Microbumps, aquí te explicamos sus diferencias, ventajas y desventajas de cada uno.

TSV (Through-Silicon Via)

Las TSV son conductos verticales que atraviesan directamente las obleas de silicio para conectar eléctricamente capas apiladas en un empaquetado 3D. Estas vías son rellenadas con materiales conductores, como cobre o tungsteno, y encapsuladas con aislantes dieléctricos.

El proceso de fabricación de estos pilares es relativamente sencillo, y se basa en los mismos procedimientos que para fabricar el resto del chip:

1. Perforación: se crean agujeros en la oblea mediante técnicas como grabado químico o DRIE (Deep Reactive Ion Etching).
2. Aislamiento: las paredes internas de las TSV se recubren con una capa dieléctrica para evitar fugas eléctricas.
3. Metalización: los agujeros se rellenan con materiales conductores, mediante técnicas de deposición.
4. Planarización: El exceso de material se elimina mediante procesos como CMP (Chemical Mechanical Polishing), igual que se hace para las capas de interconexiones metálicas.

Microbumps

Los microbumps son pequeñas protuberancias de soldadura que conectan capas apiladas o chips en un empaquetado 3D. Funcionan como puntos de contacto entre las interfaces de las capas, sustituyendo las bolas de soldadura tradicionales (C4 bumps) con dimensiones significativamente menores.

En este caso, el proceso de fabricación es diferente al de los TSV, y se puede utilizar como complemento de la tecnología anterior:

1. Deposición de soldadura: se aplican pequeñas cantidades de material de soldadura en las almohadillas de contacto.
2. Alineación: las capas o chips se alinean cuidadosamente para garantizar conexiones precisas.
3. Reflujo: se calientan para fundir la soldadura y establecer las conexiones eléctricas.

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TSV vs Microbump

Característica	TSV	Microbumps
Dimensiones	5-50 µm (diámetro)	10-30 µm (diámetro)
Resistencia eléctrica	~1 mΩ/TSV	~10 mΩ/microbump
Densidad de interconexión	Hasta 10,000 TSV/mm²	~1,000 conexiones/mm²
Complejidad de fabricación	Alta (requiere perforación y planarización)	Media (precisión en reflujo y alineación)
Uso típico	Comunicación entre capas dentro de una misma oblea	Conexión entre chips apilados
Coste	Elevado debido a la complejidad técnica	Moderado en comparación con TSV

Según lo comentado, tenemos que en una comparativa entre la tecnología TSV y Microbump, los pros y contras de cada una son las siguientes:

Ventajas y desventajas de TSV

Entre las ventajas que tienen la técnica de conexión por TSV está:

• Latencia menor: son ideales para aplicaciones de alto rendimiento debido a su menor resistencia y capacitancia, lo que implica una menor latencia y consumo de energía para transmitir información o señales.
• Conexiones directas: mayor eficiencia para circuitos avanzados, como las unidades de procesamiento o memoria más complejas.

No obstante, también hay algunas desventajas en TSV, como:

• Complejidad y costes: debido al proceso de fabricación más complejo, se incrementan los costes finales del chip.
• Mayor riesgo de fallas: esto es debido a tensiones mecánicas y expansión térmica, ya que aunque también lo sufre los microbumps, al ser capilares más pequeños, podrían ser aún más sensibles.

Ventajas y desventajas de Microbumps

En el caso de los microbumps, tenemos las siguientes ventajas:

• Flexibilidad en diseño: más adecuados para empaquetados heterogéneos, como apilado de memoria y procesadores.
• Coste menor: no requiere procesos de perforación y metalización tan avanzados como las TSV, lo que reduce el coste de fabricación.

En cuanto a las desventajas, tenemos:

• Resistencias eléctricas más altas: limitan su uso en aplicaciones de alta velocidad, e implican un consumo mayor.
• Mayor susceptibilidad a problemas mecánicos: como la formación de grietas en juntas de soldadura debido a tensiones térmicas.

Conclusión

La elección entre TSV y Microbumps depende de las necesidades específicas de la aplicación. Las TSV son ideales para diseños que requieren alta velocidad y densidad de interconexión interna, mientras que los microbumps destacan en empaquetados heterogéneos y más económicos. A medida que las tecnologías avanzan, estas soluciones seguirán evolucionando, integrándose incluso en empaquetados híbridos para maximizar las ventajas de ambas… Como he comentado, no son solo alternativas, también pueden ser complementarias.

Si tienes dudas o cualquier comentario al respecto, ya sabes, será bienvenido…