Podręcznik

Idea trójwymiarowych układów scalonych jest znana od wielu lat, lecz dopiero ostatnio zaczęła wchodzić do praktyki przemysłowej. Układ trójwymiarowy to nic innego jak stos płytek z układami ułożonych jedna nad drugą i połączonych mechanicznie i elektrycznie w taki czy inny sposób (niektórzy twierdzą, że nie są to „prawdziwe” układy trójwymiarowe i nazywają je układami „2,5D”). Główną zaletą takich układów są bardzo krótkie połączenia. Przykładowo, układy pamięci operacyjnej komputera umieszczone bezpośrednio nad mikroprocesorem w odległości rzędu milimetra to w porównaniu z tradycyjnym sposobem montażu na płycie drukowanej kilkudziesięciokrotne skrócenie połączeń. To oznacza znaczne zmniejszenie pojemności tych połączeń i duże skrócenie czasu propagacji sygnałów między procesorem i pamięcią, a także pewne zmniejszenie poboru mocy, bowiem pojemności pasożytnicze ścieżek połączeń na zewnątrz układu ładują się i rozładowują przez tranzystory w układzie tak samo, jak pojemności wewnątrz układu, powiększając pobór mocy dynamicznej (punkt 4.1.1). W urządzeniach mobilnych ma też znaczenie zmniejszenie liczby odrębnych układów we własnych obudowach, co pozwala zmniejszyć wymiary tych urządzeń.

Rysunek 5‑7. Sposób montażu kilku układów we wspólnej obudowie

Rysunek 5-7 pokazuje jeden ze stosowanych w praktyce sposobów budowy układów „2,5D”, zwany „system in package” (SiP). Dwa układy cyfrowe umieszczone są obok siebie na pomocniczej płytce, w której wykonane są wielowarstwowe połączenia (płytka ta nosi angielską nazwę „interposer”). Układy są zalane warstwą spoiwa epoksydowego. Nad tymi układami znajduje się układ pamięci dynamicznej. Pamięć połączona jest elektrycznie z płytką pomocniczą przepustami w spoiwie epoksydowym. Widoczne na rysunku połączenia kulkowe są jednym ze sposobów wykonania wyprowadzeń z układu scalonego. Obudowa z takimi wyprowadzeniami nosi angielską nazwę „ball grid array” (BGA). 

Układy pamięci dynamicznych także bywają łączone w pionowe stosy – rysunek 5-8. Płytki z układami pamięci dRAM umieszczone są jedna nad drugą i połączone elektrycznie poprzez przepusty w krzemie zwane „through silicon via” (TSV). Są to wytrawione w krzemie na wylot cylindryczne otwory, których ścianki są pokryte dielektrykiem, a wnętrze wypełnione metalem lub polikrzemem. Pod układami pamięci znajduje się układ kontrolera łączący pamięci z zewnętrznym światem. Wszystko razem umieszczone jest w obudowie z tworzywa sztucznego.

Rysunek 5‑8. Układ pamięci dynamicznej "2,5D"

Układy trójwymiarowe przy swoich zaletach mają też poważną wadę: odprowadzanie wydzielającego się w nich ciepła jest znacznie utrudnione w porównaniu z układami montowanymi w sposób tradycyjny w zwykłych obudowach.