Elettronica_Oggi

TECH INSIGHT

- ELETTRONICA OGGI 442 - GENNAIO/FEBBRAIO 2015

sistemi elettronici tridimen-

sionali sono da molti anni

incautamente annunciati nelle

riviste tecniche come un’ico-

na che poi però sul silicio

trova poco riscontro, perché

in realtà è ben difficile sovrap-

porre gli elementi attivi senza

evitarne il surriscaldamen-

to; prova ne è che i recenti

annunci di transistor 3D intro-

ducono in effetti degli accor-

gimenti che modificano solo

in parte la geometria struttu-

rale sul silicio, aumentando in

vari modi le dimensioni della

base ma senza alterare l’im-

postazione fondamentalmente

planare nel chip di supporto.

Il problema è che le moderne

giunzioni a semiconduttore

lavorano tipicamente sopra il

centinaio di gradi centigradi e

quando ce ne sono migliaia in

pochi micron quadrati non è

possibile prescindere dall’as-

soluta necessità di dissipare

il calore sopra il chip; è perciò

vitale lasciarvi al di sopra lo

spazio minimo indispensabile

per far circolare un adeguato

flusso d’aria, almeno in una

direzione. Occorre, in pratica,

che le giunzioni dei transistor

si stabilizzino in un equilibrio

termico che permetta loro di

smaltire almeno un centinaio

di gradi, in parte per con-

duzione attraverso i materiali

semiconduttori e metallici che

le stanno attorno nel substra-

to e nel resto del circuito e

poi soprattutto per conve-

zione, attraverso i materiali

della superficie superiore del

package sopra alla quale c’è

l’aria. Quest’ultima modalità è

preponderante e, solo se il

calore da smaltire è limita-

to attorno a un Watt termico,

può bastare il contatto della

superficie del package con

l’ambiente esterno; se cresce

però verso la decina di Watt

allora bisogna ricorrere alla

ventilazione forzata e/o ai dis-

sipatori. Fortunatamente nei

moderni chip a basso consu-

mo quest’ultima ingombrante

soluzione va perdendosi ma

ciò non toglie che almeno la

dissipazione verso la superfi-

cie superiore del chip debba

essere sempre garantita, altri-

menti non c’è modo di raffred-

dare le giunzioni che, oltre a

peggiorare nelle prestazioni,

rischiano di surriscaldarsi

fino a causare il breakdown

del circuito.

Oggi sono molti i laboratori

che ricercano e sviluppano

tecnologie circuitali innovati-

ve con l’intento di migliorare

la compattezza dei sistemi

elettronici, pur garantendo

comunque un efficace smal-

timento del calore. Le princi-

pali tendenze in atto da alcu-

ni anni sfruttano i Through

Silicon Vias, ossia opportuni

canali scavati a livello del

substrato in grado di collega-

re parti circuitali fisicamen-

te separate. In questo modo

si possono comporre due o

più sottosistemi in un unico

grande sistema strutturato,

che permette loro di scam-

biare i dati attraverso i TSV e

rimanere tutti dentro un unico

package. Si parla, dunque, di

System-In-Package (SIP) 2,5D

quando i sottosistemi sono

affiancati e condividono sia i

collegamenti TSV nel substra-

to sottostante sia la superficie

superiore del package attra-

verso cui smaltire il calore,

mentre si parla di SIP 3D-IC

o 3-D TSV IC quando i sotto-

sistemi sono montati a coppie

uno sopra l’altro ma intercalati

da più strati di substrato iso-

lante e metallo termicamente

conduttivo, che permettono

al calore di fuoriuscire dal si-

stema intermedio per smaltire

attraverso le superfici laterali

del package, mentre il sistema

in alto può smaltire attraverso

la sua superficie superiore.

Quest’ultimo può quindi ospi-

tare i circuiti più caldi, come le

CPU, mentre in mezzo si pos-

sono mettere le memorie e fra

i due livelli si trovano i TSV,

che permettono ai due sotto-

sistemi di scambiare dati ad

alta velocità pur garantendo il

mantenimento di un adeguato

equilibrio termico. Diversa-

mente si possono montare i

due sottosistemi in verticale

con i circuiti rivolti verso l’e-

sterno, dove smaltiscono il

calore verso le rispettive su-

perfici laterali del package,

mentre in mezzo si appoggia-

no a un unico substrato che

ospita i TSV, attraverso cui

possono comunicare e che li

sostiene poggiando a sua vol-

ta sul connettore di supporto

sulla scheda.

In tutti questi casi è necessa-

rio permettere all’aria di fluire

sulle superfici del package e

occorre anche fare una pre-

ventiva simulazione termica

adeguatamente precisa per

assicurarsi dell’effettivo smal-

timento di tutto il calore ge-

nerato. D’altro canto, queste

soluzioni hanno il vantaggio

di consentire una maggior

diversificazione dei sistemi,

dato che si possono comporre

i sottosistemi a livello circuita-

le oltre che a livello funzionale

e, per esempio, unire dentro

un solo package un’unità di

calcolo e una memoria oppu-

re un front-end RF e uno o più

Elementi circuitali planari in 3D

Lucio Pellizzari

Dopo i package composti da più chip separati ma interconnessi

attraverso un opportuno substrato di silicio, arrivano i circuiti

disegnati su due livelli nei quali i transistor possono funzionare

sia in orizzontale sia in verticale

Fig. 1 – Il centro ricerche IBM di Zurigo è protagonista nel progetto

europeo COMPOSE3 ma STMicroelectronics ne sta curando l’implemen-

tazione sulle linee di produzione in tecnologia FDSOI