Chip tridimensional (3D)

Enelectrónica, uncircuito integradotridimensional, o simplementechip tridimensional (chip 3D), es un chip compuesto por dos o más capas de componentes electrónicos activos, integrados tanto vertical como horizontalmente, y formando un único circuito. Además, se hace uso de canales de comunicación verticales entre las distintas capas, para permitir que los componentes situados en diferentes capas puedan trabajar de forma conjunta.
El principal objetivo de las tecnologías de integración tridimensional, utilizadas para la creación de chips 3D), es permitir la fabricación de chips heterogéneos (compuestos por componentes de distinta naturaleza) con un alto grado de integración. Por lo tanto, gracias a estas tecnologías de integración 3D se podrán fabricar chips con un rendimiento muy superior al obtenido por los chips actuales, cuyo aumento de rendimiento se encuentra limitado a causa de las barreras impuestas por la tecnología de integración actual.
A continuación se describen, de forma general, los pasos necesarios para llevar a cabo la fabricación de chips 3D:
Uno de los aspectos más importantes a la hora de la fabricación de los chips tridimensionales, es el método usado para apilar las distintas obleas. En la actualidad existen diversos métodos, entre los que cabe destacar los basados en compresión termal, unión con adhesivos especiales o unión mediante técnicas moleculares. El usar uno u otro método de unión repercutirá en la tolerancia a temperaturas y alineamiento de los chips fabricados, así como en los tipos de obleas que pueden unirse, el número máximo de niveles que se pueden apilar, el espesor final de la pila de obleas o la densidad máxima de las interconexiones verticales.
Otro factor importante en la fabricación de chips tridimensionales, es la separación de componentes en distintas capas (siempre que el método de unión usado permita una alta densidad de conexiones verticales). De este modo, componentes con distinta naturaleza estarán situados en capas distintas permitiendo que cada capa sea optimizada de acuerdo a los requisitos funcionales de los componentes que va a albergar.
Entre las ventajas de la integración tridimensional, y por tanto de los chips 3D, se pueden destacar las siguientes:
La integración tridimensional es una tecnología muy novedosa en el campo de la electrónica, que al igual que cualquier otra tecnología novedosa acarrea ciertos problemas o desafíos que deben superarse para que la tecnología en cuestión pueda ser ampliamente utilizada en productos comerciales. En el caso de la integración tridimensional (y de los chips 3D), los principales desafíos que se plantean son:
En la actualidad, existen diversos métodos o técnicas de llevar a cabo la fabricación de chips tridimensionales. Este conglomerado de tecnologías se puede dividir en 3 categorías generales en función de las características comunes que existen entre ellas.
El objetivo del empaquetado 3D (3D packaging, en inglés) es consumir menos espacio mediante el apilamiento de varios chips independientes en un solo empaquetado. En este tipo de empaquetado no se lleva a cabo la integración de los distintos chips en un solo circuito, sino que lo que se hace es simplemente unir los distintos chips mediante cables que van de unos a otros.
Debido a esta circunstancia, generalmente este tipo de tecnologías de empaquetado no son consideradas como tecnologías puramente de integración 3D. Sin embargo, son bastante interesantes desde el punto de vista de la integración de varios circuitos (chips) “bidimensionales” en uno sólo chip tridimensional.
Este tipo de empaquetado 3D es usualmente conocido como SiP (System-in-Package), y de forma extensible PoP (Package-on-Package) que consisten en unir varios SiP en uno sólo empaquetado. Para establecer los enlaces de comunicación entre los distintos circuitos integrados (chips) se hace uso de métodos de interconexión tales como “wire bonding” y “flip-chip”.
Este tipo de tecnologías consisten en la fabricación de chips tridimensionales sobre la base de la acumulación de transistores, de igual forma a como se fabrican los chip convencionales en 2D, pero con la particularidad de que los transistores acumulados sontransistores 3D. Entre las tecnologías presentes como parte de este grupo, se encuentran las siguientes:
En este grupo de tecnologías de integración 3D, se engloban todas aquellas tecnologías cuyo proceso consiste en apilar varias capas de circuitos integrados 2D (convencionales) y comunicarlas mediante las denominadas TSV (Through-Silicon-Via). Entre las tecnologías de este grupo cabe destacar las siguientes:
Si bien la investigación y desarrollo de tecnologías de integración 3D actuales son absolutamente imprescindibles para el éxito de los chips tridimensionales, tal vez uno de los mayores desafíos a los que se enfrenta esta tecnología sea la creación de herramientas de diseño y simulación de chips. Sin este tipo de herramientas, los ingenieros no disponen de los medios necesarios para aprovechar los beneficios que ofrece esta nueva tecnología.​
La utilización de herramientas de diseño y simulación, se convierte en algo especialmente crítico cuando se trata de integración de chips en 3D, debido a que apilar distintas capas de componentes de forma vertical tiende a aumentar la generación de calor dentro del chip. Y este exceso de calor puede derivar en problemas relacionados con la fiabilidad del sistema o el rendimiento del mismo. El diseño de chips 3D también complica notablemente el diseño de los canales de comunicación (vías) entre los componentes, otro motivo por lo que es aconsejable de uso de alguna herramienta de asistencia.
A continuación se presenta una lista de las herramientas existentes, más destacadas, para la integración de chips 3D:
En la actualidad, aún no existe ningún producto comercial destacable de chips 3D (o por lo menos no a nivel de usuario). Sin embargo, si existen gran multitud de prototipos, productos iniciales o tecnologías/servicios de integración 3D que están siendo desarrollados y mejorados continuamente.​
A continuación se destacan los productos/servicios comerciales más relevantes: