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Los investigadores trabajan continuamente en torno a la ley de Moore, recientemente apilando transistores verticalmente para aumentar el recuento de transistores mientras se mantienen las dimensiones físicas del chip relativamente iguales.
Pero este método se vuelve difícil cuando los diseñadores trabajan con piezas sensibles (por ejemplo, sensores miniaturizados) que pueden dañarse fácilmente con los métodos de recogida y colocación. Por el contrario, los métodos actuales sin contacto pueden ser difíciles de controlar para la fabricación de alto volumen.
Un nuevo estudio de investigación muestra a los diseñadores cómo pueden evitar estos obstáculos en la construcción de semiconductores verticales, mediante el uso de campos magnéticos.

"¿Integración vertical?"

Investigadores del KTH Royal Institute of Technology en Suecia han descubierto una posible solución para "ir en 3D". Estos ingenieros han creado con éxito dispositivos de silicio 3D sin la necesidad de crecer capas epitaxiales sobre dispositivos de silicio.
La solución es un diseño de varios pasos que utiliza campos magnéticos para colocar los chiplets y la unión del cable de borde para conectar los chiplets al sustrato principal.

Una estructura 3D tipo T
La estructura 3D utiliza pequeños chips de silicio que tienen un diseño tipo T. La sección larga de la T tiene electrodos de aluminio, que tienen cortes de trapecio para cada electrodo. La sección inferior de la T tiene la circuitería principal de silicio utilizando técnicas de fabricación 2D estándar. La parte posterior del chiplet está recubierta con tiras de material ferromagnético (níquel).

Las virutas tienen un diseño en forma de T, evitando la entrada al revés en los agujeros. Imagen utilizada por cortesía de Federico Ribet, et al. y naturaleza (CC BY 4.0)

El sustrato de silicio principal (conectado a los chiplets) tiene recortes tan anchos como la sección estrecha de los chiplets y las almohadillas de unión. Las almohadillas de unión se encuentran en el sustrato al lado de los recortes. Esto significa que cuando el chiplet se inserta en el corte, puede caer a la parte superior de la sección T actuando como un tapón.

Paso uno: use el magnetismo para orientar los filetes
Conseguir que los chiplets entren en las ranuras generalmente requiere unas pinzas muy complejas, lo que puede ser un proceso costoso y lento. Es por eso que los investigadores utilizaron las tiras de material ferromagnético en la parte posterior de los filetes.

Diagrama de montaje magnético. Imagen utilizada por cortesía de Federico Ribet, et al. y naturaleza (CC BY 4.0)

Luego usaron un campo magnético externo no solo para orientar los chiplets sino también para moverlos alrededor del sustrato y hacer que los chiplets se asienten en los recortes.

Paso dos: Asegure los chiplets en recortes
La siguiente etapa de la construcción es asegurar los chiplets en los recortes. Los investigadores hicieron esto mediante el uso de superpegamento estándar. Sin embargo, se podrían usar otras técnicas para sostener estos chiplets. Por ejemplo, los diseñadores podrían confiar en los cables de enlace entre el chiplet y el sustrato (más sobre esto más adelante). Si es necesario eliminar el superpegamento, la acetona hará el trabajo.

Las dos imágenes superiores muestran microchips de elevación vertical en presencia de un campo magnético debido al revestimiento de níquel rayado en la parte posterior. Las dos imágenes inferiores muestran cómo se controlaba la dirección de elevación de los microchips mediante el rayado del revestimiento de níquel. Imagen utilizada por cortesía de Federico Ribet, et al. y naturaleza (CC BY 4.0)

Los investigadores también señalaron que en un entorno de producción en masa, los diseñadores pueden automatizar el proceso mediante el uso de bombas en miniatura y sistemas de pasos para aplicar superpegamento.

Paso tres: unir los chiplets al sustrato principal
La última etapa implica un alambre de borde que une los chiplets al sustrato principal. Los investigadores hicieron un enlace usando un enlace de alambre estándar que generalmente se usa para unir matrices a paquetes de CI.
Sin embargo, el uso de un diseño de trapecio implicaba algunas cosas: 1) la unión debe hacerse a temperatura ambiente con baja resistencia de contacto (menos de 0.2 ohmios) y 2) formar la unión no requerirá vibración ultrasónica.

Unión de alambres de borde. Imagen utilizada por cortesía de Federico Ribet, et al. y naturaleza (CC BY 4.0)

La deformación del cable de enlace en el contacto lo mantendrá en su lugar y formará un área de contacto más grande.

Conclusión

El método de construcción que se muestra aquí demuestra que las estructuras de silicio 3D construidas utilizando métodos tradicionales son posibles. Usar el magnetismo para mover estructuras es (al menos en algunos aspectos) una opción práctica en contraste con el uso de micro pinzas.
Las piezas demostradas construidas fueron resistencias de película delgada, que normalmente serían demasiado grandes y costosas de integrar en una matriz estándar, como un microprocesador. Pero este método podría aplicarse a una serie de componentes, incluidos transistores de potencia, condensadores e inductores.
Un problema con este método es que el uso de materiales ferromagnéticos en troqueles de silicio podría afectar los circuitos magnéticamente sensibles. Sin embargo, la presencia de dicho material puede superarse fácilmente mediante el uso de valores de compensación en magnetómetros.