3D封裝與硅通孔（TSV）技術

周 健 周紹華

（合肥工業(yè)大學，安徽 合肥 230009）

隨著對具有更小外形的先進電子產品的需求不斷增長，對優(yōu)越性能和更低的總體成本的追求推動著半導體行業(yè)發(fā)展創(chuàng)新，涌現(xiàn)了一系列先進封裝技術。相對于其他各類封裝技術，3D封裝技術具有良好的電學性能以及較高的可靠性，同時它能實現(xiàn)較高的封裝密度，因此目前3D封裝技術被廣泛應用于各種高速電路以及小型化系統(tǒng)中。有很多種方式能實現(xiàn)芯片間的互連，一般來說，通常采用引線鍵合或者倒裝芯片焊接將硅圓片集成在一起，如上圖所示。目前，主流的三維封裝一般利用硅通孔技術來實現(xiàn)。硅通孔技術通過在硅圓片上制作出一定布線排序的垂直互連孔，在孔中淀積通孔材料，實現(xiàn)不同芯片層之間的電互連，從而保證了芯片間具有較短的互連線，因此可以獲得更好的電性能以及更小的信號延遲。

1 TSV簡介

區(qū)別于傳統(tǒng)的芯片封裝技術，硅通孔技術在三維層面實現(xiàn)芯片間的電互連，封裝密度大大提高，而垂直的互連線也改善了芯片間的信號傳輸速度，同時在硅通孔技術保證了對電路板空間的集約化利用，降低了芯片的功耗。另外，一些大型的IDM制造商如IBM和Intel都預測硅通孔技術是微電子制造行業(yè)最有前途的技術之一，并且已經(jīng)開始著手商業(yè)化這一技術。TSV技術的發(fā)現(xiàn)得益于印刷電路板（PCB）多層化這一設計思路，它使得多芯片之間實現(xiàn)短垂直互連，取代在2D封裝中的長引線互連，因而可以提高性能和減少時間延遲。同時采用硅通孔技術可以有效的降低功耗，另外由于硅通孔技術在三維層面對芯片進行整合，因此硅通孔技術可以有效的提高芯片的集成密度。目前，硅通孔技術的挑戰(zhàn)主要來自于以下幾個方面：通孔的刻蝕、通孔填充材料的選取、工藝流程、堆疊形式與鍵和方式的選取。如今，TSV技術已經(jīng)被廣泛應用于存儲器、圖像傳感器、功率放大器等芯片中，雖然目前還未能大量商業(yè)化生產，但是隨著技術的不斷進步與完善，硅通孔技術必將會憑借其獨特的優(yōu)勢引領微電子行業(yè)取得進一步的發(fā)展。

2 TSV技術展望

隨著3D技術的不斷發(fā)展以及通孔尺寸的縮小，疊層中的每一層芯片的厚度也會有所減少。而將硅片厚度減到5μm以下，電路的性能并不會因此而顯著變壞。因此，未來對于微電子行業(yè)發(fā)展的限制并不是電學性能的限制，而是由于技術問題導致新技術無法實現(xiàn)或者無法商業(yè)化。可以預見在未來的十幾年里傳統(tǒng)器件將會到達其本身的物理極限，無法或者很難實現(xiàn)進一步的突破。而新型器件，比如碳納米管、自旋電子器件等等在目前還只能在實驗室中實現(xiàn)，無法大規(guī)模商業(yè)化使用。那么當前，在封裝層面提高集成度顯得尤為重要。所以在最近幾年內硅通孔技術將會是微電子行業(yè)的熱點話題，一些目前快速發(fā)展的實用芯片，如CMOS圖像傳感器、存儲器和邏輯電路上存儲器等等對于3D技術尤其是硅通孔的應用，使 3D技術不斷發(fā)展與完善。另外，硅通孔技術還可以用于集成生產工藝不同的芯片，這稱為“異質集成”。如手機的功率放大器一般使用GaAs工藝，而實際中，GaAs工藝使用較少，因此常常通過TSV集成將GaAs電路鍵合在CMOS電路上面，使之成為完整的電路。硅通孔技術的不足是當通電時，由于通孔產生的電磁噪聲會對附近的MOS晶體管造成干擾，導致晶體管的特性發(fā)生改變，甚至無法正常工作。另外，由于溫度變化通孔附近的電阻電容值發(fā)生改變，影響芯片的溫度穩(wěn)定性。“日本慶應大學研究開發(fā)的電磁耦合層疊芯片可以較好的解決這一問題，因此電磁耦合層疊芯片被認為是未來節(jié)電芯片的主要選擇之一。”三維封裝技術較之二維封裝有著明顯的優(yōu)勢，例如：更低的低功耗、更高的互連密度、更小的傳播延遲等等。3D硅通孔技術通過將芯片制造與芯片封裝技術融合在一起，提高了系統(tǒng)性能，在較低的成本下跟上了摩爾定律的預測。當然，目前3D封裝仍然面臨嚴峻的挑戰(zhàn)，在可靠性、材料選取等等方面仍然制約著硅通孔技術的商業(yè)化進程，這有待進一步的研究。

圖1

圖2 使用硅基板和 TSV 的三維堆疊圖

圖3 采用 TSV 技術的堆疊器件

結語

總的來說，目前3D封裝的硅通孔技術還處于高速發(fā)展時期，但是由于該技術具有更小的封裝尺寸，更高的封裝密度，以及具有適應半導體器件發(fā)展方向的高性能與低功耗種種優(yōu)勢，因此硅通孔技術具有廣闊的前景以及成為微電子行業(yè)熱門領域的潛質。

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