硅通孔_TSV_转接板微组装技术研究进展_刘晓阳

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硅通孔（TSV ）转接板微组装技术研究进展*

刘晓阳1，刘海燕2，于大全3，吴小龙1，陈文录1

（1. 江南计算技术研究所，江苏 无锡 214083；

2. 华进半导体封装先导技术研发中心有限公司，江苏 无锡 214135；

3. 中国科学院微电子研究所，北京 100029）

摘　要：以硅通孔（TSV ）为核心的三维集成技术是半导体工业界近几年的研发热点，特别是2.5D TSV 转接板技术的出现，为实现低成本小尺寸芯片系统封装替代高成本系统芯片（SoC ）提供了解决方案。转接板作为中介层，实现芯片和芯片、芯片与基板之间的三维互连，降低了系统芯片制作成本和功耗。在基于TSV 转接板的三维封装结构中，新型封装结构及封装材料的引入，大尺寸、高功率芯片和小尺寸、细节距微凸点的应用，都为转接板的微组装工艺及其可靠性带来了巨大挑战。综述了TSV 转接板微组装的研究现状，及在转接板翘曲、芯片与转接板的精确对准、微组装相关材料、工艺选择等方面面临的关键问题和研究进展。

关键词：硅通孔（TSV ）；转接板；微组装技术；基板；2.5D/3D 集成

中图分类号：TN305.94 文献标识码：A 文章编号：1681-1070（2015）08-0001-08

Development of Micropackage Technology for Through Silicon

Via (TSV) Interposer

LIU Xiaoyang 1, LIU Haiyan 2, YU Daquan 3, WU Xiaolong 1, CHEN Wenlu 1（1. Jiangnan Institute of Computing Technology , Wuxi 214083, China ;2. National Center for Advanced Packaging , Wuxi 214135, China ;

3. Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences , Beijing 100029, China ）

Abstract: In recent years, 3D integration technology with the key technology of through silicon via (TSV) has been a research and development hotspot of semiconductor industry. Especially, 2.5D TSV interposer technology has been provided a solution for substituting low cost small size die system package for high cost system on chip (SOC). As the medilayer, interposer achieves 3D interconnection between die to die and die to substrate, and has reduced the cost of system on chip and power consumption. In the structure of 3D package based on TSV interposer, there have been very huge challenges for micropackage technology and reliability of interposer, with new type package structures

and materials introduced, and with large size high power die and small size fine pitch microbumps applied. In the paper, the currently research of TSV interposer micropackage was summarized, including the key questions and development of warpage of interposer, pinpoint between die and interposer, materials of micropackage, and technics choice, etc.

Key words: through Silicon via (TSV); interposer; micropackage; substrate; 2.5D/3D integration

收稿日期：2015-5-4

*基金项目：国家科技重大专项（2011ZX02709-2）；国家自然科学基金（61176098）

DOI:10.16257/ki.1681-1070.2015.0080

电　子　与　封　装

第15卷第8期

- 2 -1 引言

随着电子产品向小型化、高性能、高可靠等方向发展，系统集成度也日益提高。在这种情况下，靠进一步缩小集成电路的特征尺寸和互连线的线宽来提高性能的方式受到材料物理特性和设备工艺的限制，传统的摩尔定律已经很难继续发展下去。以TSV 为核心的2.5D/3D 集成技术已经被广泛认为是未来高密度封装领域的主导技术，是突破摩尔定律的有效途径[1~3]。与传统的2D 封装相比，基于TSV 转接板的2.5D 封装使多个芯片在转接板上直接实现互连，大大缩短了走线长度，降低了信号延迟与损耗，其相对带宽可达传统封装的8~50倍。硅基转接板可以制作更小线宽的互连线，布线密度大大提高，使其满足高性能芯片的需求。硅基转接板与芯片均采用Si 做基底材料，二者间的CTE 失配较小，芯片所承受的热应力大幅降低，可靠性得以提高。芯片和基板间较短的互连线路可以改善系统电性能[4~5]。因此，多个功能芯片通过TSV 转接板形成互连的封装形式越来越受到世界各大半导体公司及科研院所的关注。

在TSV 转接板的封装结构中，多个功能芯片放置在转接板上，通过转接板实现芯片之间的互连。TSV 转接板的引入，2.5D 封装结构与传统的芯片和基板直接互连的2D 封装结构的巨大差别，导致其微组装工艺与传统的微组装工艺存在很大差别，并面临新的技术挑战。本文结合TSV 转接板的典型封装结构及微组装工艺流程，综述了转接板微组装的研究现状及在微组装工艺流程/工艺参数、多个芯片的精确对准、转接板翘曲、底部填充工艺、微组装相关材料选择等方面面临的关键问题、挑战和研究进展。

2 TSV 转接板结构与集成

2.1 TSV 转接板典型结构

TSV 转接板的典型结构示意图如图1所示，转接板衬底材料为硅或者玻璃，在基底上可以集成一些无源组件，如电阻、电容及电感等。TSV 是转接板的核心结构，其侧壁沉积了绝缘层/扩散阻挡层/种子层多层金属，TSV 孔由电镀的金属铜或钨填满。转接板正面和背面的再分布层（RDL ），提供TSV 及衬底上已有电路或器件的电学重分布，可为TSV 提供更多的连接自由度。转接板正面的窄节距微凸点和背面的C4凸点，分别实现转接板与芯片和基板的直接电学连接。其中转接板与芯片互连的高密度微凸点直径在20 μm 以下，节距不

到50 μm ，以实现转接板与芯片的高密度互连。可以说RDL 结合微凸点，提供了TSV 与堆叠芯片的电学接口。

TSV 技术是2.5D 转接板实现3D 集成的核心技术，目前TSV 深宽比可达到10:1。为降低封装尺寸和TSV 制造难度，需要对转接板晶圆衬底进行减薄处理。目前通常将转接板减薄到100 μm 以下，远低于功能芯片的厚度。此外为实现与多个功能芯片的互连，转接板尺寸需大于与之集成的多个芯片尺寸之和，常见的转接板边长在20 mm 以上[6, 7]。由此可见，超大尺寸、超薄厚度是TSV 转接板的外形结构特点，而转接板上的高密度微凸点尺寸、节距也在随着工艺的进步而不断

缩小，并为其微组装工艺带来了巨大挑战。

2.2 TSV 转接板集成

在转接板封装结构中，多个功能芯片并排放置或堆叠放置在转接板上，通过微凸点与转接板上的互连层连接，再通过TSV 连接到封装基板上，完成单个器件的功能，可广泛应用于处理器-存储器系统、图像传感器、RF 系统和传感器等[8]。如图2所示，在AMD 的一款GPU 芯片封装结构中，通过转接板将一个GPU 芯片与两个RAM 芯片集成在一起，大大提高了带宽及运算速度。该芯片应用于索尼公司2013年生产的PS4

中，实现了更出色的游戏画面及更丰富的功能。

图2 基于转接板技术完成的GPU 芯片封装

美国的Xilinx 公司推出的2.5D 封装FPGA 产品中，多个FPGA 芯片通过转接板形成互连，转接板再通过C4焊点与基板相连，如图3所示[9]。在该器件的封装结构中，4个FPGA 芯片尺寸均为7 mm×12 mm ，放置在25 mm×31 mm×0.1 mm 的转接板上，再通过C4焊点与35 mm×35 mm 的有机基板相连。如图3（b ）所示，该封装结构共包括材料及尺寸不同的3层焊点：芯片与转接板之间为节距45 μm 的铜柱微凸点，转接