BME VIK - Heterogén integráció a mikroelektronikában

3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Bognár György,

A tantárgy tanszéki weboldala http://edu.vik.bme.hu

4. A tantárgy előadója

Dr. Bognár György, egyetemi docens, EET

Dr. Plesz Balázs, egyetemi docens, EET

Dr. Szabó Péter Gábor, egyetemi docens, EET

Rózsás Gábor, tudományos segédmunkatárs, EET

7. A tantárgy célkitűzése A tantárgy keretében a hallgatók megismerkednek a korszerű elektronikai tokozásokkal, azok felépítésével, kialakításuk és alkalmazhatóságuk előnyeivel, korlátaival és a felépítésükhöz szükséges félvezető- és szereléstechnológiai háttérrel. Különösen nagy hangsúlyt fektetünk a More-than-Moore 3D integráció és a különböző integrációs szintek (System-on-Chip, System-in-Package, System-on-Package) megismerésére és összehasonlítására, a 2.5D és 3D integrált eszközök kialakítási technológiájának, termikus és konstrukciós kérdéseinek vizsgálatára.

Megismerkednek a mikroelektronikában széles körűen alkalmazott heterogén integrációval, az áramköri tokozások tervezésének módszertanával és gyakorlati, készségszintű ismereteket szereznek az áramköri tokozások kialakításának technológiájában. Ennek keretében megismerik a különböző köztes hordozó megvalósításokkal, és elsajátítják a különböző szeletkötési, chip beültetési módszereket.

A korszerű tokozások kialakításánál a termikus szempontú tervezés (thermal aware) módszertanának, lépéseinek megismerése elengedhetetlenül fontossá vált. A tárgy keretében az újszerű hűtési és termikus menedzsment eljárásokkal is megismerkednek a hallgatók.

8. A tantárgy részletes tematikája

System-on-chip és System-on-Package (U)VLSI rendszerek felépítése, tervezésük módszertana, az alkalmazott tervezési lépéssor (design-flow) részletes bemutatása, fejlődési trendek, korlátok, jövőbeli lehetőségek.
Áramköri tokozás fogalma. Klasszikus elterjedten alkalmazott homogén, 2D tokozások. Korszerű homogén és heterogén; 2.5D és 3D tokozási technológiák. Stacked die struktúrák, System-on-Chip, Sytem-in-Package, System-on-Package, Wafer-level-Packaging, Fan-Out WLP packaging fogalma. 3D integráció tervezési szempontjai és elterjedt technológiái.
Vegyesjelű rendszerchip (SoC) eszközök alkalmazásának és kialakításának előnyei. Új részegységek a SoC rendszerekben. Neurális hálózatok (NPU), gépi tanulás hardver kialakítási lehetőségei, Edge Computing előnyei.
Heterogén integráció a mikroelektronikában. Eltemetett szilícium réteget tartalmazó köztes hordozós kialakítások és passzív/aktív szilícium köztes hordozót alkalmazó tokozások. EMIB, Foveos, C2C bonding, chiplet fogalma és alkalmazásának előnyei, hátrányai, chipek közötti kommunikáció kialakítása, chipek közötti kommunikációs szabványok megismerése, optikai kommunikáció kialakításának lehetőségei.
IC tervezés és a tokozás kapcsolata a tervező szemszögépből. Hard-IP, soft-IP és chiplet alapú tervezés fogalmainak megismerése, összehasonlításuk a tervezés és megvalósítás szemszögéből. Korszerű tokozások tervezésének lépései (packaging design-flow), összeköttetések kialakítása, path finding és dynamic timing delay tuning fogalma, IBIS modell generálása, cross-domain integration, gyártásba küldendő fájlok.
Tokozások parazita hatásainak vizsgálata RF, termikus és egyéb fizikai szempontok alapján: IBIS modell, Delphi modell, 2R modell.
Az elektronikai tokozások kialakításának termikus kérdései. Alkalmazott termikus interfész anyagok (TIM) jellemzői, a RTH_JC hőellenállás csökkentésének lehetőségei, domináns hőutak meghatározása, jellemző hőátadási mechanizmusok.
Aktív és passzív hűtési megoldások, mikrocsatornás hűtőeszközök és ezek karakterizációs és modellezési lehetőségei.
Gyártástechnológiai alapok: marási technológiák, szilícium szeletek vékonyítása, darabolása, TSV kialakítása, szilícium szeletek kétoldalas megmunkálása, szeletkötési eljárások, RDL réteg kialakítása.
Die bonding technológiák bemutatása, huzalkötési eljárások, felhasználási lehetőségeik heterogén integrált rendszerek kialakításánál.
Flip-chip kötések – technológiák, illesztési módszerek, microbumpok/micropillarok kialakítása, C4 kötési eljárások.
Mikroméretű csatornák kialakítási technológiája (in die, in conduction layer, in interposer), csatornák és aktív elemek együttes kialakítása Si interposerben.
Esettanulmány bemutatása, aktuálisan alkalmazott integrált tokozás példáján
Kitekintés, ipari trendek, várható fejlődési irányok.

A gyakorlatok/laborok részletes tematikája

Elkészítendő heterogén integrált rendszer megismerése, felépítésének és az alkalmazni kívánt technológiai lépéssor megismerése, hőtani kézi számítások végzése.
Chipek beültetése és kikötése huzalkötéssel és flip-chip technológiával, elkészített eszközök bemérése, kötési technológiák gyakorlati összehasonlítása
Termikus hűtőcsatornákat tartalmazó chip szimulációja
Hűtőcsatornákat tartalmazó chip készítése és bemérése I. – mikrocsatornák készítése
Hűtőcsatornákat tartalmazó chip készítése és bemérése II. – chipek összeillesztése és egymáshoz kötése
Hűtőcsatornákat tartalmazó chip készítése és bemérése III. – elkészült hűtőcsatornás chip termikus karakterizálása
Tokbontás, reverse engineering, modern tokozások felépítésének vizsgálata

9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium) A tantárgy elméleti anyagát a 2 óra/hét kiméretű előadásokon ismertetjük. A tárgyhoz laboratóriumi gyakorlat (1 óra/hét) tartozik.

10. Követelmények Szorgalmi időszakban

A nagy zárthelyi elégséges szintű teljesítése és a tárgyhoz tartozó laboratóriumi gyakorlatok sikeres teljesítése és a jegyzőkönyv(ek) határidőre történő leadása.

Vizsgaidőszakban

A vizsgára bocsátás feltétele az aláírás megszerzése a szorgalmi időszakban vagy a korábbi években megszerzett aláírás is elfogadható. A tárgyból írásbeli és szóbeli részből álló vizsgát tartunk.

11. Pótlási lehetőségek A nagy zárthelyi a pótlási időszakban egy alkalommal pótolható. További pótlási lehetőség (pl. pót-pót ZH) nem áll rendelkezésre. A szorgalmi időszakban lehetőséget biztosítunk két laboratóriumi foglalkozás pótlására.

12. Konzultációs lehetőségek Zárthelyik ill. vizsganapok előtt az előadókkal történő személyes megbeszélés vagy e-mail képezi a konzultáció alapját.

13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom Elektronikusan elérhető előadás fóliák, oktató által készített segédanyagok.

Tanszéki elektronikus jegyzetek a tanszéki tanulmányi felületről.

John H. Lau, Semiconductor Advanced Packaging, Springer, 2021, ISBN: 978-981-16-1375-3, https://link.springer.com/book/10.1007/978-981-16-1376-0

14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka

Kontakt óra	42
Félévközi készülés órákra	14
Felkészülés zárthelyire	16
Házi feladat elkészítése	0
Kijelölt írásos tananyag elsajátítása	6
Vizsgafelkészülés	30
Összesen	150

15. A tantárgy tematikáját kidolgozta Dr. Bognár György, egyetemi docens, EET

Dr. Plesz Balázs, egyetemi docens, EET