第五讲微系统封装技术-三维系统级封装

第五讲三维系统级封装中央处理器

CPU存储型闪存

NAND动态存储器

DRAM90nm65-45nm32-22nm动态存储器

DRAM+

逻辑电路信号延迟限制芯片速度32nm以下CMOS电路可行性尚不清楚

难以加工更小的电容更大的信号延迟

没有合适的光刻系统

单元工作不稳定难以降低成本

大规模有困难

低成本，甚至与90nm相当可堆叠出更大的动态存储器2005年末:Sony

不需要更小的电容

更短的连线可以获得更小的延迟2009–2010:Elpida

使用已验证的光刻系统

单元工作稳定2011–2015:Samsung

缩短连线长度以减小延迟

堆叠获得更快的CMOS电路2011–2015:Intel/IBM更小设计的问题三维集成的优势延续摩尔定律

Moore’sLaw超越摩尔定律

MorethanMoore闪存芯片的制造成本比较封装堆叠封装堆叠的可制造性和可靠性问题翘曲和不平度：顶部底部翘曲不同会造成焊锡结点在集成工艺中的失效；净空（Stand-off）：随着焊锡结点间距的缩小，含锡球随之缩小，其所提供的净空将不足以满足ASIC芯片对封装的要求。常规封装堆叠

ITRS三维互连技术路线图基于硅通孔(TSV)的三维系统级封装

(3D-SiP)方法具有如下主要优点:高密度集成

─大幅度地提高电子元器件的集成度，减小封装的几何尺寸，克服现有的二维系统级封装(2D-SiP)和三维封装堆叠(PoP)系统的不足，满足微电子产品对于多功能和小型化的要求。提高电性能

─大幅度地缩短电互连的长度，从而可以很好地解决出现在二维系统级芯片（SoC）技术中的信号延迟等问题，提高电性能。多种功能集成

─可以把不同的功能芯片(如射频、内存、逻辑、数字和MEMS等)集成在一起实现电子元器件的多功能化。降低制造费用

─TSV三维集成技术虽然目前在工艺上的成本较高，但是可以在元器件的总体水平上降低制造成本。Samsung利用

TSV技术堆叠的16G内存芯片组IBM利用TSV技术堆叠的CPU和内存芯片组

TSV三维集成技术是最近几年半导体工业中最热门的研究方向

--所有的大公司和著名研究机构都在开展这方面的技术研究和产品开发。TSV三维集成技术可以创造出很多应用

--从消费电子到无线通讯，从生物到医学，从航空航天到汽车电子等:

图像传感器为TSV的第一个实际应用；

内存，包括闪存（Flash）和动态内存（DRAM）将占据最大的市场；

微电机系统将是另一个主要应用；

其它应用包括射频、发光二极管等。

TSV技术的应用市场预测

(YoleDevelopment,2007)

四种主要的TSV工艺流程DRIE加工的不同深孔

含有电镀铜TSV结构的1/4晶圆

电镀铜TSV结构的切面图

减薄到100微米的带TSV结构的晶圆

深孔刻蚀：DRIE绝缘层淀积：淀积绝缘性的SiO2/SiN/SiO2复合层

扩散阻挡层淀积：化学镀或溅射淀积TiW、TiN、TaN等种子层：化学镀或溅射淀积Cu、W等深孔填孔：电镀Cu、W打孔方式干法刻蚀激光烧蚀超声微钻孔示例优点可形成V型孔无热损伤和残余应力深度可以控制成本低不需要掩膜可形成V型孔不需要掩膜可形成V型孔缺点成本高需要掩膜有热损伤和残余应力需自停止层不能并行加工成本高，

不能并行加工。拥有知识产权的公司和研究机构IBM，Aviza，IMEC，Micron等Toshiba等IBM表

不同深孔加工方法的比较表

不同绝缘层材料比较材料二氧化硅氮氧化硅有机高分子聚合物优点保形性保形性低残余应力保形性吸湿小电容小低热应力缺点高残余应力电容大电容大增加刻蚀步骤难以填充小孔表

用于晶圆减薄的不同粘接技术比较工艺蜡或胶水粘接干式胶贴粘接静电吸盘示意图优点高温下可使用保护易碎晶圆适用于表面不平整之晶圆表面平整度好低温下无需清洁，高温下残留亦较少适于自动化生产无温度限制不使用粘接材料无需清洁缺点融蜡后有残留蜡的化学性质稳定，不易被化学溶剂清洗粘接时间和脱模时间长，工艺不易实现自动化使用温度不能超过130oC表面平整度差静电可对芯片造成伤害表

四种主要精减薄方法的优缺点比较工艺化学机械抛光湿法蚀刻干法蚀刻干法抛光示意图减薄介质悬浮硬质颗粒氢氟酸＋硝酸＋乙酸氟气硅质研磨剂蚀刻速率1μm/min>10μm/min2μm/min1μm/min蚀刻效率低高中等低晶圆强度高高高高环境污染硬质颗粒氮氧化物六氟化硫无运营成本高/中高低低基于机械化学抛光的晶圆减薄方法

晶圆减薄方法

--把机械磨削、化学机械抛光、和干法刻蚀有机地结合，并建立它们之间的优化比例关系，以保证晶圆既能减薄到要求的厚度，又能具有足够的强度

。机械磨削化学机械抛光（CMP）干法刻蚀暴露TSV结构设计顾问磨削厚度抛光厚度刻蚀厚度厚度比参数优化指导试验晶圆表

部分TSV填孔方法比较填孔材料铜钨多晶硅沉积方法电镀印刷CVDLPCVD优点电阻低热性能好电阻低成本低无需种子层缺点电镀时间长成本高电迁徙可靠性很难填充深孔电阻大热性能不好拥有知识产权的公司和研究机构Intel，IBM,TI,ST,Toshiba，Samsung等MIT,IBM,IZM,Infenion，Philips等Leti,NEC,OKI,Elpida,东北大学等表三种芯片/晶圆的键合方法比较堆叠方法工艺变动弹性良品率产量制造成本晶圆/晶圆低低高高芯片/晶圆中中中中芯片/芯片高高低低芯片/晶圆键合方法

--利用固液扩散低温键合。Cu-Sn、Au-Sn、Ni-Sn

基于脉冲激光的芯片/晶圆键合方法芯片/晶圆键合方法

--利用脉冲激光在TSV结构间形成一层金属化合物，把芯片/晶圆键合在一起。该方法具有工艺简单、成本低、产量高和可靠性好等优点。脉冲激光源脉冲激光堆叠芯片高分子硅通孔夹具晶圆/芯片晶圆绝缘层粘接层金属1金属2高分子材料脉冲激光新型存储模组:优良的电学性能

--ASIC、DRAM和

Flash间的电互连缩短至少两倍以上，电性能(比如内存的读写速度)将会被大大地提高。超小的总体尺寸--没有金线键合、晶圆厚度减薄、没有衬垫，可缩小封装的总体尺寸至少50%，而内存的容量还会增加至少一倍。多功能三维集成系统

--可以三维集成ASIC、DRAM和Flash芯片而形成一个独立系统模组。

混合连接技术

--利用侧面基板连接所有芯片的非共用信号，利用TSV连接所有的共用信号。

不同芯片尺寸失配补偿技术

--把芯片放置在晶圆载体上，利用高分子材料补偿芯片尺寸的大小，利用重新分布层建立互连。

利用TSV技术三维堆叠的多功能静态芯片组

对称的封装结构

--硅中介层帮助屏蔽RF和ASIC芯片间可能的电磁干扰；封装总体对称，没有明显的热失配问题，具有很好的可靠性。不同芯片尺寸失配补偿技术

--可以用补偿技术制作出尺寸一致的芯片。新型胎压监测模块:

超小的总体尺寸

--因为ASIC和MEMS芯片被三维集成在一起，没有金线键合，封装的总体尺寸会被大幅度地减小。优良的电学和动态特性