硅通孔三维封装技术研究进展_杨邦朝
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［1 ］
引
言பைடு நூலகம்
。
与传统的平面二维引线互连相比， 三维 TSV 封
0306 收稿日期：2014-
0916 修订日期：2014-
基金项目：国家自然科学基金（ 51302030 ）
476
2014 年第 5 期
干法刻蚀和湿法刻蚀。 通孔成形包括激光打孔， 激光打孔是利用热量使硅蒸发， 为了避免热量影响 芯片上的器件， 孔的边缘至少距离器件 2 μm， 通孔 直径要求在 10 μm 以上， 形成的孔有一定的锥度。 DＲIE ， deep reactiveion 干法刻蚀（ 深反应离子刻蚀， etching） ， 利用硅的各向异性， 可以制作深宽比很大
图4 固气界面的温度格点表示
其中 P total =
dashed Cell
－ P（ x， y， z） dS 是在虚线范
围内所有热源产生的热量。 为了精确计算温度的分布， 需要考虑固体材料 ， 与空气之间的对流传热 对流传热的边界条件为 k T n = － hc （ T － Ta ）
convection
第5 期 2014 年 10 月
Journal of CAEIT
Vol． 9 No． 5 Oct． 2014
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随着单个芯片上元件数目的快速增长， 连接它 们的互连线密度也急剧增加。互连线密度高导致电 性能降低， 如高互连线电阻和相互串扰等。 随着芯 片对信号的处理速度加快， 时钟频率提高， 当芯片自 身的互连线长度与时钟信号波长一样， 则信号在一 个时钟周期内不能有效传达。这些都成为制约芯片 发展的瓶颈。 为了实现电子封装的高密度化， 需要在二维封 ， 装的基础上 实现芯片的叠层封装的三维封装 （ 3D， 3 dimension） 。由于 3D 封装技术采用垂直互连， 互
i， j
（ 3）
i， j
i， j
2． 1
微管液态冷却技术模型
图3
固体材料的温度格点表示
芯片的微管模型如图 2 所示。 在 TSV 封装中， 包含多种固体材料， 如硅芯片、 铜通柱、 表面布线的 在此， 就没有进一步地细分各材料的 有机绝缘层等， 特性， 就用一个总的固体材料方程表示。 在稳态热 传导条件下， 固体材料和液体介质之间的热传导方 程可以写成如下形式： k（ x， y， z ） T（ x ， y， z） = － P（ x， y， z） ］ （ 1） ·［ y， z） ·T（ x， y， z） = ·［ kf T（ x， y， z） ］（ 2） σcp v （ x， k（ x， y， z） 和 T（ x，y，z） 表示固体材料的热导率 式中， cp 和 v（ x，y，z） 分别表示液体的密度、 和温度分布； σ、 热容量和流速分布； kf 是流体的热导率； P （ x，y，z ） 是 总的发热量。
1
TSV 的工艺流程
1972 年 TSV 技术就由 Alfred D． Scarbrough 在
美国申请了专利， 但只是一个设想。1980 年美国通 1985 年 用采用激光打孔技术在硅圆上形成了通孔， IBM 在德国的实验室 GMTC 采用 KOH 化学刻蚀出 1997 年 Gobet 用离子束进行通孔刻蚀。 硅 了通孔， 圆的 减 薄 和 通 孔 填 充 技 术 则 在 21 世 纪 由 AEST、 ［3 ～ 5 ］ IME 、 。 日立等公司研发 TSV 封装的关键技术包括硅通孔成形， 通孔填 充， 芯片间键合和芯片减薄。 其中每个关键技术又 包含不同的方法。 （ 1 ） 通孔的形成
Abstract： The emerging through silicon via （ TSV） technology enables 3D stacking of ICs，which helps to continue miniaturizing integrated system and increasing functionality． Effective thermal cooling for high power density 3D stacked ICs is a crucial bottleneck． In order to mitigate the thermal challenge in high power 3D inemerging new technologies are presented． Microchannel fluidic cooling and air convection tegration system， boundary condition is discussed． A novel chipscale microchannel fluidic cooling scheme is introduced． Key words： TSV； thermal management； microchannel fluidic cooling 连密度很高， 因此互连导线的长度缩短， 信号延迟大 大减少， 稳定性得到提高。与传统封装技术相比， 三 维封装技术显著提高了封装密度 、 增强了产品性能、 提高了速度、 降低了功耗、 降低了噪声、 实现了电子 设备的小型化和多功能化。 through 目前三 维 封 装 朝 着 硅 通 孔 技 术 （ TSV， silicon vias） 发展。 这种技术通过在硅圆片上制作 出许多垂直互连通孔来实现不同芯片之间的电互 连， 由于芯片间有更短的互连线， 所以圆片级三维 s 公司 集成 能 实 现 最 小 化 互 连 线 的 延 迟。 ITＲI ’ 采用 TSV 技术的系统封装示意图和实物图， 如图 1 所示
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摘
综
述
doi： 10． 3969 / j． issn． 16735692． 2014． 05． 007
硅通孔三维封装技术研究进展
杨邦朝， 胡永达
( 电子科技大学， 成都 610054 ) 要：芯片叠层封装能够大幅提高集成度， 硅通孔技术是集成电路三维封装的发展方向。但是随 着封装密度增加功率密度增大， 对散热的要求也愈加迫切。对芯片散热的最新进展进行了介绍， 着 重研究了微管液体冷却技术， 在讨论了相关模型的基础上， 对微管的制备方法进行了分析。 关键词：硅通孔技术; 热管理; 微管液体冷却 中图分类号：TN405 文献标识码： A 5692 （ 2014 ） 0547505 文章编号：1673-
Ｒecent Developments in TSV Technology
YANG Bangchao，HU Yongda
（ State key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices，UESTC，Chengdu 610054 ，China）
装具有诸多优点
。
（ 1 ） 尺寸小重量轻： 与传统的单芯片封装相比， 三维封装的尺寸和重量缩小了 40 ～ 50 分之一。 与 MCM 技术相比， 三维封装体积缩小了 5 ～ 6 分之一， 重量减轻2 ～ 13 分之一。 （ 2 ） 硅片使用效率高， 集成度高： 与二维封装相 比， 硅片效率超过 100% ， 随着 TSV 高深宽比技术的 高密度的连接逐渐成为现实， 能够实现复杂的 发展， 多片全硅系统集成。 （ 3 ） 缩短信号延迟， 同时降低功耗： 采用 TSV 封 装技术， 芯片间的连接长度缩短为芯片的厚度 ， 同引 TSV 可以在垂直方向上获 线键合和倒装芯片相比， 得多层芯片间最短的互连长度。 在微波领域， 较短 的互连长度还能有效地减小器件的功耗， 同时降低 互连延迟， 提高系统的运行速度， 从多角度提升产品 的性能。 TSV 封装具有相当多的优点， 但是也有其局限 主要有两点： 其一是可靠性， 由 TSV 封装技术制 性， 造的器件， 电路密度很高， 功率密度也随之增加， 故 TSV 热管理是必须要考虑的因素； 其二是成本控制， 封装使得设计的复杂性增大， 再加上制造、 测试等多 个环节， 使得 TSV 技术的成本仍然比较高。
［ 9］
( kΔΔxy + kΔΔxy ) （ T ( kΔΔxy + kΔΔxy ) （ T ( kΔΔxy + kΔΔxy ) （ T ( kΔΔxy + kΔΔxy ) （ T
1 1 1 1 2 1 3 2 2 2 1 1 2 2 1 1 4 1 3 2 2 2
i， j
－ T i － 1， j） + － T i + 1， j） + － T i － 1， j） + － T i + 1， j ） = P total
2014 年第 5 期
杨邦朝 等： 硅通孔三维封装技术研究进展
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4 2
2
TSV 芯片的热管理
3D 封装中的 TSV 技术， 实现了芯片之间的面 互连， 有利于减少信号延迟， 是封装的发展方向。但 芯片减薄和叠层后， 运行所产生的热量非常集 是， 中， 采用常规的导热技术， 例如强制空气散热， 都不 容易把热量传导出去， 芯片的温度非常容易超过其 正常工作温度， 从而导致失效。 目前在 TSV 的热传 导方面做了相当多的研究， 采用了许多方法， 包括带 ， 温度传感器的微通道热沉法 微管液态冷却技术， TSV 导热柱方法等［6 ～ 8］。在此主要介绍微管液态冷 却技术模型及其实现。
图1 TSV 技术的系统封装示意图和实物图
［2 ］
且精度高， 速度快， 缺点是会形成粗糙的孔 的直孔， 壁， 类似扇形。湿法刻蚀利用光刻技术， 采用 KOH， 利用硅的各向异性进行刻蚀， 成孔质量， 孔型控制以 及定位精度都很高， 但成孔速度较慢。 （ 2 ） 通孔的填充 SiO2 作 通孔做好后， 芯片要与电导材料绝缘， 为电绝缘层， 可以采用化学气相沉积的方法进行 。 Mo 或 W ） 透过 SiO2 向 为了防止通孔填充金属 （ Cu、 影响硅通孔的导电性和衬底硅的电性能 ， 硅中扩散， 电绝缘后还要在外围用化学气相沉积法 （ MOCVD ） 或溅射法沉积一层很薄的阻挡层， 通常采用的材料 TiN， Ta 和 TaN。 它 们 不 仅 起 到 阻 挡 层 的 作 为 Ti， 用， 而且还作为 Cu 和 SiO2 之间的粘附层， 这是由于 Cu 和 SiO2 之间的粘附性很差， 直接接触制作的 Cu 互连极易脱落。然后再沉积一层导电材料铜， 作为 电镀的种子层。如果通孔直径很小， 宽深比大， 可以 采用激光辅助化学气相沉积的方式 ， 填充 Mo 或 W。 （ 3 ） 晶片减薄 正常硅圆厚度为 300 μm ～ 400 μm， 由于硅通孔 在深宽比与深度方面的工艺限制， 以及三维叠层对 厚度的要求， 晶片需要减薄， 使其最终的厚度能被通 孔工艺接受。当通孔内金属填满后， 将晶片放到载 体上进行背减薄工艺， 使通孔底部的导电材料露出。 目前的堆叠封装使用的芯片厚度在 100 μm 以下。 晶片减薄目前常用的方法是磨削加工 ， 经过粗磨、 精 磨和抛光等加工步骤完成， 在整个过程中， 要保证晶 片始终保持平整， 减薄后不能出现翘曲、 表面损伤和 晶片破裂等问题。 （ 4 ） TSV 键合互连 晶片减薄后露出导电材料， 这部分导电材料与 其他芯片对准后进行键合以实现互连 。这种技术采 用的工艺有金属金属键合技术及高分子粘结键合 等。目前以金属间键合技术为主要方式， 一般采用 CuSn 键合、 粘接、 直接熔合和焊接等手段， 由于通 孔填充的导体材料主要是铜， 因此在通孔端头化学 镀锡后就比较容易实现。这种技术可以同时实现芯 片的机械与电学性能。
（ 4）
T a 和 h c 表示空气的温度和对流系数。 为了计 算图 4 位置坐标在 （ i，j ） 点的温度和相邻格点之间
图 2 芯片的微流管模型
的关系， 对式 （ 1 ） 沿虚线进行积分， 再求散度， 可以 得到 T（ x，y，z） 的一阶导数。对一阶导数进行有限 微分近似， 并代入边界条件式 （ 4 ） ， 在固气界面处的 温度分布公式就表示成为 T i， T i， T i， j － Ta j － Ti － 1， j j － T i， j －1 + + + 1 / （ hc d） k（ Δx / 2） ］ Δx / （ kd） Δy1 /［ T i， j － T i， j +1 =p y / ［ k （ x Δ 2 Δ / 2） ］ total 其中 d = Δy1 + Δy2 2
引
言பைடு நூலகம்
。
与传统的平面二维引线互连相比， 三维 TSV 封
0306 收稿日期：2014-
0916 修订日期：2014-
基金项目：国家自然科学基金（ 51302030 ）
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2014 年第 5 期
干法刻蚀和湿法刻蚀。 通孔成形包括激光打孔， 激光打孔是利用热量使硅蒸发， 为了避免热量影响 芯片上的器件， 孔的边缘至少距离器件 2 μm， 通孔 直径要求在 10 μm 以上， 形成的孔有一定的锥度。 DＲIE ， deep reactiveion 干法刻蚀（ 深反应离子刻蚀， etching） ， 利用硅的各向异性， 可以制作深宽比很大
图4 固气界面的温度格点表示
其中 P total =
dashed Cell
－ P（ x， y， z） dS 是在虚线范
围内所有热源产生的热量。 为了精确计算温度的分布， 需要考虑固体材料 ， 与空气之间的对流传热 对流传热的边界条件为 k T n = － hc （ T － Ta ）
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第5 期 2014 年 10 月
Journal of CAEIT
Vol． 9 No． 5 Oct． 2014
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随着单个芯片上元件数目的快速增长， 连接它 们的互连线密度也急剧增加。互连线密度高导致电 性能降低， 如高互连线电阻和相互串扰等。 随着芯 片对信号的处理速度加快， 时钟频率提高， 当芯片自 身的互连线长度与时钟信号波长一样， 则信号在一 个时钟周期内不能有效传达。这些都成为制约芯片 发展的瓶颈。 为了实现电子封装的高密度化， 需要在二维封 ， 装的基础上 实现芯片的叠层封装的三维封装 （ 3D， 3 dimension） 。由于 3D 封装技术采用垂直互连， 互
i， j
（ 3）
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微管液态冷却技术模型
图3
固体材料的温度格点表示
芯片的微管模型如图 2 所示。 在 TSV 封装中， 包含多种固体材料， 如硅芯片、 铜通柱、 表面布线的 在此， 就没有进一步地细分各材料的 有机绝缘层等， 特性， 就用一个总的固体材料方程表示。 在稳态热 传导条件下， 固体材料和液体介质之间的热传导方 程可以写成如下形式： k（ x， y， z ） T（ x ， y， z） = － P（ x， y， z） ］ （ 1） ·［ y， z） ·T（ x， y， z） = ·［ kf T（ x， y， z） ］（ 2） σcp v （ x， k（ x， y， z） 和 T（ x，y，z） 表示固体材料的热导率 式中， cp 和 v（ x，y，z） 分别表示液体的密度、 和温度分布； σ、 热容量和流速分布； kf 是流体的热导率； P （ x，y，z ） 是 总的发热量。
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TSV 的工艺流程
1972 年 TSV 技术就由 Alfred D． Scarbrough 在
美国申请了专利， 但只是一个设想。1980 年美国通 1985 年 用采用激光打孔技术在硅圆上形成了通孔， IBM 在德国的实验室 GMTC 采用 KOH 化学刻蚀出 1997 年 Gobet 用离子束进行通孔刻蚀。 硅 了通孔， 圆的 减 薄 和 通 孔 填 充 技 术 则 在 21 世 纪 由 AEST、 ［3 ～ 5 ］ IME 、 。 日立等公司研发 TSV 封装的关键技术包括硅通孔成形， 通孔填 充， 芯片间键合和芯片减薄。 其中每个关键技术又 包含不同的方法。 （ 1 ） 通孔的形成
Abstract： The emerging through silicon via （ TSV） technology enables 3D stacking of ICs，which helps to continue miniaturizing integrated system and increasing functionality． Effective thermal cooling for high power density 3D stacked ICs is a crucial bottleneck． In order to mitigate the thermal challenge in high power 3D inemerging new technologies are presented． Microchannel fluidic cooling and air convection tegration system， boundary condition is discussed． A novel chipscale microchannel fluidic cooling scheme is introduced． Key words： TSV； thermal management； microchannel fluidic cooling 连密度很高， 因此互连导线的长度缩短， 信号延迟大 大减少， 稳定性得到提高。与传统封装技术相比， 三 维封装技术显著提高了封装密度 、 增强了产品性能、 提高了速度、 降低了功耗、 降低了噪声、 实现了电子 设备的小型化和多功能化。 through 目前三 维 封 装 朝 着 硅 通 孔 技 术 （ TSV， silicon vias） 发展。 这种技术通过在硅圆片上制作 出许多垂直互连通孔来实现不同芯片之间的电互 连， 由于芯片间有更短的互连线， 所以圆片级三维 s 公司 集成 能 实 现 最 小 化 互 连 线 的 延 迟。 ITＲI ’ 采用 TSV 技术的系统封装示意图和实物图， 如图 1 所示
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摘
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doi： 10． 3969 / j． issn． 16735692． 2014． 05． 007
硅通孔三维封装技术研究进展
杨邦朝， 胡永达
( 电子科技大学， 成都 610054 ) 要：芯片叠层封装能够大幅提高集成度， 硅通孔技术是集成电路三维封装的发展方向。但是随 着封装密度增加功率密度增大， 对散热的要求也愈加迫切。对芯片散热的最新进展进行了介绍， 着 重研究了微管液体冷却技术， 在讨论了相关模型的基础上， 对微管的制备方法进行了分析。 关键词：硅通孔技术; 热管理; 微管液体冷却 中图分类号：TN405 文献标识码： A 5692 （ 2014 ） 0547505 文章编号：1673-
Ｒecent Developments in TSV Technology
YANG Bangchao，HU Yongda
（ State key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices，UESTC，Chengdu 610054 ，China）
装具有诸多优点
。
（ 1 ） 尺寸小重量轻： 与传统的单芯片封装相比， 三维封装的尺寸和重量缩小了 40 ～ 50 分之一。 与 MCM 技术相比， 三维封装体积缩小了 5 ～ 6 分之一， 重量减轻2 ～ 13 分之一。 （ 2 ） 硅片使用效率高， 集成度高： 与二维封装相 比， 硅片效率超过 100% ， 随着 TSV 高深宽比技术的 高密度的连接逐渐成为现实， 能够实现复杂的 发展， 多片全硅系统集成。 （ 3 ） 缩短信号延迟， 同时降低功耗： 采用 TSV 封 装技术， 芯片间的连接长度缩短为芯片的厚度 ， 同引 TSV 可以在垂直方向上获 线键合和倒装芯片相比， 得多层芯片间最短的互连长度。 在微波领域， 较短 的互连长度还能有效地减小器件的功耗， 同时降低 互连延迟， 提高系统的运行速度， 从多角度提升产品 的性能。 TSV 封装具有相当多的优点， 但是也有其局限 主要有两点： 其一是可靠性， 由 TSV 封装技术制 性， 造的器件， 电路密度很高， 功率密度也随之增加， 故 TSV 热管理是必须要考虑的因素； 其二是成本控制， 封装使得设计的复杂性增大， 再加上制造、 测试等多 个环节， 使得 TSV 技术的成本仍然比较高。
［ 9］
( kΔΔxy + kΔΔxy ) （ T ( kΔΔxy + kΔΔxy ) （ T ( kΔΔxy + kΔΔxy ) （ T ( kΔΔxy + kΔΔxy ) （ T
1 1 1 1 2 1 3 2 2 2 1 1 2 2 1 1 4 1 3 2 2 2
i， j
－ T i － 1， j） + － T i + 1， j） + － T i － 1， j） + － T i + 1， j ） = P total
2014 年第 5 期
杨邦朝 等： 硅通孔三维封装技术研究进展
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TSV 芯片的热管理
3D 封装中的 TSV 技术， 实现了芯片之间的面 互连， 有利于减少信号延迟， 是封装的发展方向。但 芯片减薄和叠层后， 运行所产生的热量非常集 是， 中， 采用常规的导热技术， 例如强制空气散热， 都不 容易把热量传导出去， 芯片的温度非常容易超过其 正常工作温度， 从而导致失效。 目前在 TSV 的热传 导方面做了相当多的研究， 采用了许多方法， 包括带 ， 温度传感器的微通道热沉法 微管液态冷却技术， TSV 导热柱方法等［6 ～ 8］。在此主要介绍微管液态冷 却技术模型及其实现。
图1 TSV 技术的系统封装示意图和实物图
［2 ］
且精度高， 速度快， 缺点是会形成粗糙的孔 的直孔， 壁， 类似扇形。湿法刻蚀利用光刻技术， 采用 KOH， 利用硅的各向异性进行刻蚀， 成孔质量， 孔型控制以 及定位精度都很高， 但成孔速度较慢。 （ 2 ） 通孔的填充 SiO2 作 通孔做好后， 芯片要与电导材料绝缘， 为电绝缘层， 可以采用化学气相沉积的方法进行 。 Mo 或 W ） 透过 SiO2 向 为了防止通孔填充金属 （ Cu、 影响硅通孔的导电性和衬底硅的电性能 ， 硅中扩散， 电绝缘后还要在外围用化学气相沉积法 （ MOCVD ） 或溅射法沉积一层很薄的阻挡层， 通常采用的材料 TiN， Ta 和 TaN。 它 们 不 仅 起 到 阻 挡 层 的 作 为 Ti， 用， 而且还作为 Cu 和 SiO2 之间的粘附层， 这是由于 Cu 和 SiO2 之间的粘附性很差， 直接接触制作的 Cu 互连极易脱落。然后再沉积一层导电材料铜， 作为 电镀的种子层。如果通孔直径很小， 宽深比大， 可以 采用激光辅助化学气相沉积的方式 ， 填充 Mo 或 W。 （ 3 ） 晶片减薄 正常硅圆厚度为 300 μm ～ 400 μm， 由于硅通孔 在深宽比与深度方面的工艺限制， 以及三维叠层对 厚度的要求， 晶片需要减薄， 使其最终的厚度能被通 孔工艺接受。当通孔内金属填满后， 将晶片放到载 体上进行背减薄工艺， 使通孔底部的导电材料露出。 目前的堆叠封装使用的芯片厚度在 100 μm 以下。 晶片减薄目前常用的方法是磨削加工 ， 经过粗磨、 精 磨和抛光等加工步骤完成， 在整个过程中， 要保证晶 片始终保持平整， 减薄后不能出现翘曲、 表面损伤和 晶片破裂等问题。 （ 4 ） TSV 键合互连 晶片减薄后露出导电材料， 这部分导电材料与 其他芯片对准后进行键合以实现互连 。这种技术采 用的工艺有金属金属键合技术及高分子粘结键合 等。目前以金属间键合技术为主要方式， 一般采用 CuSn 键合、 粘接、 直接熔合和焊接等手段， 由于通 孔填充的导体材料主要是铜， 因此在通孔端头化学 镀锡后就比较容易实现。这种技术可以同时实现芯 片的机械与电学性能。
（ 4）
T a 和 h c 表示空气的温度和对流系数。 为了计 算图 4 位置坐标在 （ i，j ） 点的温度和相邻格点之间
图 2 芯片的微流管模型
的关系， 对式 （ 1 ） 沿虚线进行积分， 再求散度， 可以 得到 T（ x，y，z） 的一阶导数。对一阶导数进行有限 微分近似， 并代入边界条件式 （ 4 ） ， 在固气界面处的 温度分布公式就表示成为 T i， T i， T i， j － Ta j － Ti － 1， j j － T i， j －1 + + + 1 / （ hc d） k（ Δx / 2） ］ Δx / （ kd） Δy1 /［ T i， j － T i， j +1 =p y / ［ k （ x Δ 2 Δ / 2） ］ total 其中 d = Δy1 + Δy2 2