硅通孔互连技术的可靠性

0 引言
在过去的几十年中，集成电路工艺技术遵循着 摩尔定律始终保持着高速的发展，芯片的性能得到 了极大地提升，功耗和成本也大幅度地下降。但是
基金项目： 国家科技重大专项资助 （ 2009ZX02025）
684 半导体技术第 36 卷第 9 期
电子封装技术的发展却相对缓慢，逐渐成为限制半 导体技术发展的瓶颈之一。传统的二维封装形式已 经无法满足消费电子、航空航天等行业对集成电路 的速度和体积越来越高的要求，因此三维封装受到 了越来越多的重视和研究。在众多的三维封装技术 中，硅通孔互连技术是一种新兴的解决方案，也是
Key words： through silicon via （ TSV） ； temperature cycling test （ TCT） ； drop test； moisture sensitivity level test； failure analysis
EEACC： 0170N； 2550F
Abstract： With the development of IC packaging to aim to smaller size and higher performance， 3D integration based on through silicon via （ TSV） interconnect technology is applied to the flash and image sensor． More and more attention is paid to the reliability of through silicon via interconnect technology． TSV samples were assembled on PCB board and the reliability was evaluated by temperature cycling test （ TCT） ，drop test and moisture sensitivity level test according to the JEDEC standards for electronic assembly． The reliability was evaluated under TC，drop test and moisture sensitivity level 1 to 3 （ MSL1-3） ． TC，MSL2 and MSL3 results showed no failure． However，a part of samples failed in drop test and MSL1. The failபைடு நூலகம்re mechanism was analyzed by cross-section and scanning electron microscope，and the influence of underfill on the reliability of the TSV devices was discussed．
关键词： 硅通孔 （ TSV） ； 温度循环试验 （ TCT） ； 跌落试验； 湿度敏感性测试； 失效分析 中图分类号： TN406 文献标识码： A 文章编号： 1003 － 353X （ 2011） 09 － 0684 － 05
Reliability Studies of Through Silicon Via Interconnect Technology
摘要： 随着电子封装持续向小型化、高性能的方向发展，基于硅通孔的三维互连技术已经开 始应用到闪存、图像传感器的制造中，硅通孔互连技术的可靠性问题越来越受到人们的关注。将 硅通孔互连器件组装到 PCB 基板上，参照 JEDEC 电子封装可靠性试验的相关标准，通过温度循 环试验、跌落试验和三个不同等级的湿度敏感性测试研究了硅通孔互连器件的可靠性。互连器件 在温度循环试验和二、三级湿度敏感试验中表现出很好的可靠性，但部分样品在跌落试验和一级 湿度敏感性测试中出现了失效。通过切片试验和扫描电子显微镜分析了器件失效机理并讨论了底 部填充料对硅通孔互连器件可靠性的影响。
2011 年 9 月
侯珏 等： 硅通孔互连技术的可靠性研究
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最有希望取代引线键合的技术，它是通过在硅片上 制作 z 轴方向的通孔，通孔内部填充导电物质来实 现不同芯片之间的互连。这种垂直方向的互连技术 能够减少芯片之间互连线的长度，从而可以解决集 成电 路 的 延 时 问 题、 降 低 功 耗 和 提 高 集 成 密 度［1 － 2］。尽管有许多的优势，并且近年来在高深宽 比通孔的制作、晶圆减薄和铜填充工艺等方面取得 了一系列重大的突破，但是硅通孔互连技术仍然面 临着许多的难题和挑战，例如缺少 EDA 设计工具 和测试方法［3］。随着 TSV 技术在电子产品上的逐 渐应用，TSV 的可靠性研究也越来越受到业界的关 注，因为这关系到硅通孔技术的大规模的生产和应 用。T． Y． Kuo 等人［4］对 10 层堆叠的 TSV 的三维封 装器件进行了温度循环试验 （ － 55 ～ 125 ℃ ） ，15 个样品中最早失效的出现在第 375 周期，1 625 周 期后 又 出 现 一 个 失 效 样 品，其 余 样 品 都 通 过 了 2 500个周期的试验。失效是因为底部芯片的铜导 线在循环过程中出现开裂，而开裂的原因主要是由 于铜导线和介质层之间的热膨胀系数不匹配。Y． Y． Ong 等人［5］对 TSV 作为互连中间层的三维封装 器件进行了温度循环和三级湿度敏感性测试，结果 在三级湿度试验中器件因为底部填充料吸湿开裂发 生失效。
Hou Jue1 ，Chen Dong2 ，Xiao Fei1
（ 1. Department of Materials Science，Fudan University，Shanghai 200433，China； 2. Jiangyin Changdian Advanced Packaging Co． ，Ltd． ，Jiangyin 214431，China）
制造工艺技术
Manufacturing technology
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DOI： 10. 3969 / j. issn. 1003 － 353x. 2011. 09. 008
硅通孔互连技术的可靠性研究
侯珏1 ，陈栋2 ，肖斐1
（ 1. 复旦大学 材料科学系，上海 200433； 2. 江阴长电先进封装有限公司，江苏 江阴 214431）