3D ヘテロジニアス統合が新しい DARPA Fab を強化

テキサス州オースティンにある1980年代の半導体工場が改装されつつある。現在テキサス電子研究所 (TIE) と呼ばれているこの工場は、シリコンと非シリコンの両方の複数の材料で作られたチップの積層である 3D ヘテロジニアス インテグレーション (3DHI) に特化した世界で唯一の先進的なパッケージング工場となるよう準備を整えています。

この工場は、DARPA の次世代マイクロエレクトロニクス製造 (NGMM) プログラムを支えるインフラストラクチャです。 「NGMM は 3D 異種統合によるマイクロエレクトロニクスの革命に焦点を当てています」とプログラムのマネージング ディレクター、マイケル ホームズは述べています。

同じパッケージ内に 2 つ以上のシリコン チップを積み重ねると、それらはすべて 1 つの集積回路であるかのように動作します。すでに、世界で最も先進的なプロセッサの一部に搭載されています。しかし、DARPA は、シリコン・オン・シリコンの積層では、2D 統合で可能なパフォーマンスの 30 倍以上のパフォーマンス向上は得られないと予測しています。対照的に、窒化ガリウム、炭化ケイ素、その他の半導体などの材料を組み合わせて実行すると、100倍の性能向上が実現できる可能性があるとホームズ氏は先月末、同プログラムの非公式発表パーティーであるNGMMサミットで技術者やその他の関係者に語った。

新しい工場では、これらの珍しい積層チップが米国内で試作および製造されるようになります。スタートアップ企業、そして発表イベントに多くのスタートアップ企業が参加していたが、プロトタイプを作成し、他の場所ではあまりにも奇抜すぎるアイデアの製造を開始できる場所を探している。そして願わくば、多くのハードウェアスタートアップが悩まされている研究室から工場への死の谷を回避したいと考えている。

テキサス州はこの工場とそのプログラムを立ち上げるために5億5,200万ドルを寄付しており、DARPAは残りの8億4,000万ドルを寄付している。 NGMM の 5 年間の使命が完了した後、この工場は自立したビジネスになることが期待されています。 「率直に言って、私たちはスタートアップです」と TIE CEO のドウェイン・ラブレイク氏は語ります。 「私たちは一般的なスタートアップよりも多くの滑走路を持っていますが、私たちは自立しなければなりません。」

3DHI Fab の立ち上げ

そこまで到達するには多くの作業が必要ですが、TIE ファウンドリはすぐにスタートを切りました。施設見学では、 IEEEスペクトル さまざまな設置状態の複数のチップ製造およびテストツールを見て、過去 3 か月以内に始めた数人のエンジニアや技術者に会いました。 TIE は、工場のすべてのツールが 2026 年の第 1 四半期に揃うと予想しています。

ツール自体と同じくらい重要なのは、鋳造工場の顧客が予測可能な製造プロセスでツールを使用できるかどうかです。これは開発が特に難しいものだとTIE関係者は説明した。最も基本的なレベルでは、非シリコンウェーハは互いに同じサイズではないことがよくあります。また、それらは異なる機械的特性を持っています。つまり、温度に応じて異なる速度で膨張および収縮します。しかし、工場の作業の多くは、これらのチップをマイクロメートルの精度で結合することになる。

それを実現するための最初の段階は、いわゆるプロセス設計キットとアセンブリ設計キットの開発です。前者は、工場での半導体設計を制約するルールを提供します。後者のアセンブリ デザイン キットは、3D アセンブリやその他の高度なパッケージングのルールを提供するものであり、物事の真の核心です。

次に、TIE は、NGMM が模範と呼んでいる 3 つの 3DHI プロジェクトを通じて、それらを改良します。これらは、フェーズド アレイ レーダー、フォーカル プレーン アレイと呼ばれる赤外線イメージャ、および小型の電力コンバータです。これらを実稼働を通じて試験的に導入することで、「初期のロードマップが得られます。より広範なアプリケーション領域にわたる驚異的なイノベーションへの入り口が得られます」とホームズ氏は述べています。

これら 3 つのまったく異なる製品は、工場が立ち上がって稼働した後にどのように運営しなければならないかを象徴しています。幹部らは同社を「多品種少量生産」のファウンドリと表現しており、これは多くの異なることを得意とする必要があるが、何か一つのものを大量に生産するわけではないことを意味している。

これは、ほとんどのシリコンファウンドリとは逆です。大量生産のシリコンファウンドリでは、バグを解決するためにプロセス全体で同様のテストウェーハを多数実行します。しかし、TIE にはそれができないため、代わりに、オースティンの新興企業 Sandbox Semiconductor が開発した AI を利用して、プロセスの微調整の結果を予測しています。

その過程で、NGMM は多くの研究の機会を提供します。 「私たちが NGMM で得られるものは、非常にまれな機会です」とテキサス大学ダラス校の教授であり、IEEE フェローであるテッド・モイーズ氏は述べています。 NGMM を使用して、大学は新しい熱伝導率フィルム、マイクロ流体冷却技術、複雑なパッケージの故障メカニズムの理解などに取り組むことを計画しています。

「NGMM は DARPA にとって奇妙なプログラムです」と同局マイクロシステム技術室ディレクターのホイットニー・メイソン氏は認めた。 「製造を行う施設を立ち上げるのは私たちの習慣ではありません。」

しかし、「オースティンを奇妙に保つ」は市の非公式のモットーであるため、おそらく NGMM と TIE が完璧に適合することがわかります。