25D 3D 半导体封装技术：趋势与创新.docx

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1、半导体2.5D/3D封装技术：趋势和创新摘要电子行业正在经历半导体封装技术的再兴。越来越多的创新性的3D封装方法已经发展，是电子工厂能够去最大化他们的产品功能。通过整合多个芯片到一个封装模组中，产品板可以明显的比它们的前辈更小，并且更短的内部互联使得其在电气性能和功能能力上都有很大的改善。多芯片封装通常使用一些类型的几基板中介层作为一个基础层。在一个基板上封装半导体芯片本质上与在引线框上使用标准I/C封装是相同的，然而，用于3D应用的基于基板的IC封装可以采用更广泛的材料和有集中可替代选择的工艺可以用于它们的封装。已经实施了某种形式的3D封装技术的公司在芯片堆叠和封装堆叠技术上都取得了城东，但

2、是这些封装方法还不能总是满足新一代大规模多功能处理器的复杂性。许多新的半导体家族正在出现，他们需要比传统的有机基板制造技术更大的互联密度。两种替代基材已经发展成为更适合当前和未来的，超高密度封装中介应用:硅和玻璃。然而供应玻璃基板中介层的基础设施目前正在有很多组织在开发，但硅基中介层供应基础设施已经很好建立起来。这篇文章论述了当前3D封装创新的积极和消极方面，以及解决基于硅和玻璃的中介层制造所面临的挑战。该文章还将参考3D封装标准，并从多个行业来源，路线图和市场预测中认识创新技术。介绍大多数半导体芯片元件继续采用在周边边缘设计键合点的方式。对于广泛的应用，无论是单个还是多芯片堆叠封装流程都可能

3、继续采用传统面朝上的芯片贴装和导线焊接的方法。然而，使用焊线焊接内部互联作为终端连接的唯一方法是有一些限制的，因为它需要大量的表面积来适应芯片到中介层焊线互联的过程。关于在芯片堆叠封装，管理数百个内部互联线路的布局和它们的轮廓限制将需要大量的规划。虽然在过程精进和系统开发上以及取得了很大的进步，但是方法将会有很大的不同。为了确保2.5D和3D封装应用的强大基础设施，行业将需要一定程度的协调和标准化。有许多多芯片封装的问题需要去解决，包括： 为多芯片封装选择合适的组件功能 为半导体元件建立一个可靠的来源 指定物理和环境操作条件 定义封装设计约束和理解过程协议 规定电气测试方法和封装后检查标准3D

4、半导体封装创新在当前的十年里，该行业已经开发了一系列令人印象深刻的多芯片解决方案。大多数的创新利用了现存的封装制造基础设施，而其他的创新往往需要开发特定的材料和工艺系统。有机中介基板看起来将会继续在大多数的多芯片封装应用中依然非常流行。为了能够更有效的处理多个芯片组，基板会以面板和条状形式提供。关于封装，当将两个或更多半导体堆叠在一个中介基板以便进行引线键合封装时，理想情况下这个芯片元件的轮廓将会逐渐变小。这种分层或者金字塔形式已经非常成功，通常提供最低的整体多芯片封装外形。在这种配置下，每个芯片元件一次连接在另一个的顶部，逐渐变小的芯片轮廓模型使得所有芯片的边缘进行一次弓I线键合工艺。Fig

5、ure1.Three-die,wire-bondsemiconductorassembly(ExampleSource:IntelCorporation)在塑封操作之后，合金球触点通常以现在非常熟悉的阵列方式形式应用于中介层的相对表面，已使用电器测试和最终将成品封装品安装到下一级封装件上。因为这些异构芯片元件封装在一个高密度的中介层上，所以著信号的路径会非常短，有助于提高操作速度和降低功耗。尽管多芯片封装技术已经达到了成熟的水平，但是当在堆叠芯片中有一个或多个学校芯片不能达到它们的预期水平或者完全失效时，封装组装成品良率可能就会受到不利影响。当芯片元件有相同的或几乎相同的轮廓时，在芯片之间添加

6、薄硅片以适应导线连接回路的高度。在图2中提供的示例表示一个使用多个相同轮廓半导体芯片晶圆堆叠的封装组件。Figure2.Samesizediestackusingspacers(ExampleSource:Dimation)对于许多个人手持产品的应用而言，过高的整体包装高度可能是一个非常关键的障碍。例如，相同大小的芯片元件通常表示内存功能，不像上面提到的分层级芯片封装，内存芯片堆叠过程是低效的。尽管所有内存芯片元件都被封装在一个公共的中阶层上，且在进入下一个阶段工艺之前，每个芯片元件的芯片贴装和引线键合的工艺必须完成。即使芯片元件已经可以被制作的很薄，但由于添加垫片和引线键合回路形貌所产生的累

7、计堆叠高度依然可能无法满足所有封装轮廓的要求。针对异构集成应用的3DPOP(PackageonPackage)封装方案将内存和逻辑功能组合在一个封装包中通常需要妥协测试效率和整体封装成品良率。垂直安装一个或多个预封装芯片元件(PackageonPackage)已经发展成为芯片堆叠的优先替代方案，特别对于需要多个异构半导体芯片元件的应用，和分离不同逻辑和存储功能已经被证明非常有效的。逻辑芯片元件通常比内存元件具有更大的轮廓和更多的I/O。因此，作为基板或者下部封装部分同会容纳逻辑芯片而于逻辑相关的内存芯片将会部署在封装的上部。此外，封装部分可能同时用到引线键合和倒装芯片两种封装发方法o倒装芯片将

8、实现显著的封装内互联能力和提供一个更低的底部封装形貌图三所示的这种设计允许塑封材料延申到底部中阶层的边缘，以最小化封装翘曲，并利用贯穿摸具通孔(TMV1hroughmoldvia)实现上部和下部之间的节距接触更小、更紧密.Figure3.Package-on-Package(PoP)(Examplesource:/PC-7091)尽管PoP应用需要两个衬底中介层，但单独测试的封装部分的连接事实证明更加经济。虽然广泛使用，许多更先进的3D封装解决方案在批量生产之前需要大量工程资源，但是有些变体在使用前将需要开发者的授权。阵歹JPoP为了克服上述传统PoP封装方法的局限性，因此提供了一种高密度基板

9、互联的替代方案。通过阵列键合工艺可以答复减小下部和上部封装分布之间的接触间距。阵列键合概念的主要特点是使用商用的有机基本材料和传统引线键合系统去提供紧密间隔的铜柱接触点，铜柱是上下封装部分的电气接口。在图4的阵列封装集合的上下部分插图中有详细展示。Figure4.14.0nmx14.0mn1000i()240mpitchBondViaArrayPackage-on-Package(Source:lnvensasCorporation)在芯片安装和引线键合完成后，通过阵列键合的基板是完全密封的，从而在密封的下部封装半导体的注塑化合物内物理的加固薄铜。使用该工艺可以减小接触间距，从而在PoP周边堆

10、叠安排中轻松适应更多内部互联。这种互联技术适用于多种3D封装，包括多行平面矩阵，扇入或扇出阵列，以及平面或阶梯注塑设计。此外，阵列键合技术使用当前的弓I线键合封装基础设施实现高密度，垂直形貌的内部互联，以及铜线的长度可以延伸到一个精准的高度以便适用上下封装形貌的不同的变化。这种通过阵列键合的PoP封装的开发人员表示，该工艺有可能提供最小到100um的接触间距，比目前使用锡球配置的PoP技术所提供的间距近的多。一.铜线接触点从夏季版的上表面延申出来，与行封装的下表面的锡球焊点对齐(Fig.5).此外，封装间的紧密耦合也有助于功率管理。Solderbumpedupper.packagesectio

11、nBondViaArraypreparedlower.packagesectionFigure5.BondiaArray,lltraFinePitch(opperPostInterconnect(Source:lnvensasCorporation)不断发展的2.5D中介层技术比目前的有机基板制造技术提供更高的内部互连密度的新的半导体技术正在出现。两个替代的基础材料已经被证明对当前和未来高密度封装应用更合适。这两种具备物理特性被认为最适应高密度中介层的材料是硅和玻璃。然而，这两种材料需要采用独特的开孔形式和金属化方法来实现从中介层一端到另一端界面。这个词硅通孔TSV是应用于基于硅中介层的微型烧

12、刻蚀和电镀通孔特征。同样的，在玻璃中介层中提供类似特征的被称为玻璃通孔TGV。相较于硅中介层供应链的成熟，玻璃中介层的供应基础设施正在发展中/硅中介层制造为了使TSV成为2.5D中介层和3D芯片堆舂封装的可行内部互联解决方案，已经投入大量资源c为了准备YSV技术，首先在硅片的一侧形成小直径孔。这种作业最城建的巩义市使用深度反应离子刻蚀工艺(DRIE)o孔刻蚀的工艺也称作“脉冲”或“时间复用”刻蚀，该工艺在两种模式之间重复交替，以获得近似垂直的孔结构。在脉冲刻蚀过程中，在通孔侧壁上自然形成钝化层，以阻止进一步的化学刻蚀和去通孔侧壁内的进一步额外刻蚀。这些刻蚀/沉积步骤是重复进行的，知道烧蚀到所需

13、的深度(Fig.6).Eure6.Viaformationusingdeepreactive-ionetching(1)RIE)process(Examplesource:SAMC()Systems)虽然一直可以在硅基上刻蚀通孔，通常的做法是在预定深度处停止刻蚀过程，以便在金属化工艺中更好的促进通孔填充。在准备通孔填充时，首先应用一层铜或鸨的种子层，以便能够电镀完成通孔填充所需要的额外的铜。电镀通常用于尺寸在5um-20um之间的通孔。为了最终在晶圆的相对表面访问金属化的铜填充的通孔，需要使用淹没和等离子体刻蚀工艺的组合。最终采用进一步的图案电镀工艺来提供表面互联特征。如图7所示。vddnec

14、opperpatternplatedFilledcopperviasconductorfeaturesjIFigure7.CopperfilledTSVinterfacebetweentheinterposerstopandbottomsurface（Examplesource:STATSChipPac）由于其低电阻率和良好导电特性，铜已经成为中介通孔和电路电镀的首选合金。为了准备在硅晶圆表面形成铜组件终端节点（接地模式）和导体，制造商首先在晶圆表面溅射一层金属合金。促进粘附力的金属包括：锲（Ni）、钥（Mo）、络（Cr）.鸨（W）和钛（Ti）。然后在这些基材上电镀更加导电的金属如铜、金、锡和

15、祀。然后根据电镀的团通过硅表面化学刻蚀去除剩余的助粘层次，然后通过光刻形成钝化层来绝缘和保护剩下的导电电路图案。玻璃中介层制造由于玻璃比硅具有更低的介电损耗，且成本比硅低得多，因此玻璃在中介层方面的应用的势头越来越大。玻璃不同于硅片，因为玻璃的厚度、面板尺寸和形状（圆形，方形和矩形）比硅提供更多的工艺变化。关于面板形状，可以提供高达500mm*500mm的面板板级封装系统进行芯片放置。形成TGV通孔的方法包括激光（C02.准分子，UV）,静电放电、机械钻孔，化学刻蚀和包括这些工艺的组合。对于机械钻孔，常用的是一种微米喷砂方法。通常，10um被认为是TGV的最小孔径，但是，基于烧刻蚀方法和系统设置，如果需要开孔可以被进一步优化。有几种方法可以可以用于玻璃技术化，保罗铜合金电镀，银和铜锡膏，银和铜墨。为了在金属和玻璃之间获得最好的更好的结合力，需要采用表面处理和一些与硅不同的中介层，玻璃是之中自然绝缘材料，在电镀前不需要覆盖阻挡层（图8）。3D系统级封装技术系统级封装发展的最基本驱动力是在不增加产品尺寸的情况下去增加产品功能和性能。行业分析师预测，即使移动电子市场将会继续显著增长，同样电信市场需求也在扩