半导体-第十六讲-新型封装

材料论坛2010.03.17上海应用技术学院新型封装技术第十五讲上海应用技术学院材料论坛2010.03.17上海应用技术学院电子产品与微电子制造三维电子封装技术层间互连技术高密度键合互连技术主要内容材料论坛2010.03.17上海应用技术学院电子产品是智能化商品发光发声发热电电磁波运动化学反应光信息声信息电磁信息热信息压力位移化学环境大脑心脏信息系统执行系统感知系统情报收集信息储存信息处理信息指令能量系统能量供给散热系统信息能量信息能量向人体一样包含两大系统：神经网络+血液循环电子产品与微电子制造材料论坛2010.03.17上海应用技术学院电子产品的核心是集成电路晶体管（脑细胞）二极管、三极管集成电路电路（神经网络）各种布线、各种互连高度集成材料论坛2010.03.17上海应用技术学院微电子产品的基本构成与互连的关系材料论坛2010.03.17上海应用技术学院互连作用微纳互连在电子产品中的作用DIEChipChip印刷线路板（PCB）材料论坛2010.03.17上海应用技术学院晶体管制造与互连30-500纳米封装体内互连5-50微米基板上互连50-500微米仪器设备内互连1000微米半导体芯片仪器设备组装电子封装印刷板上组装硅片制造集成电路制造中的各级互连材料论坛2010.03.17上海应用技术学院摩尔定律已接近极限集成与封装的三维化芯片特征尺寸减小特征尺寸趋于极限三维电子封装技术材料论坛2010.03.17上海应用技术学院今后发展趋势：三维集成与封装SIP——SysteminPackage材料论坛2010.03.17上海应用技术学院三维集成与封装的主要方法硅通孔(TSV)叠层短距离互连多种芯片集成实现高密度更低成本器件内置多层基板无源器件集成MEMS器件集成多种芯片内置实现高密度（摘自2007STRJ报告）典型的3D-封装产品示意图TSV堆叠结构器件内置多层基板TSV——ThroughSiliconVia传统打线方法材料论坛2010.03.17上海应用技术学院TSV使晶圆与封装厂合作变得更紧密晶圆制造电子封装PCB微组装晶圆制造电子封装基板晶圆制造电子封装～1990SystemonBoard1990～2D-SysteminPackage2010～22-32nm3D-SystemIntegrationPOPSoCTSV晶圆制造电子封装基板2000～45-130nm，3D-SysteminPackageWB-3DMCMBGATSV-3D材料论坛2010.03.17上海应用技术学院三维封装市场需求及市场规模最近数年，用于TSV封装的晶圆数量将成倍增加，迫使铜互连材料的需求量进一步攀升材料论坛2010.03.17上海应用技术学院CSCM(ChipScaleCameraModule)–WLPTSV在微摄像头（CIS）上的应用东芝材料论坛2010.03.17上海应用技术学院TSV-3D封装中的关键技术硅孔制作绝缘层、阻挡层和种子层沉积硅孔导电物质填充晶圆减薄晶圆键合材料论坛2010.03.17上海应用技术学院各工艺所占成本比例在TSV-3D封装技术中，以铜互连材料及工艺为主的通孔填充和芯片叠层键合在制造成本中所占比例最高，分别达40%，34%，是三维封装中的关键技术日本权威机构预测的制造成本构成材料论坛2010.03.17上海应用技术学院TSV硅孔镀铜技术低温固态键合技术材料可靠性引线框架塑封树脂微凸点技术新型无铅焊料研究开发层间互连技术高密度键合技术TSV-3D封装中的关键技术材料论坛2010.03.17上海应用技术学院湿法刻蚀基于KOH溶液低刻蚀温度、低制造成本、适合于批量生产但由于KOH溶液对硅单晶的各向异性腐蚀特性，其刻蚀的孔非垂直且宽度较大，只能满足中低引出脚的封装。材料论坛2010.03.17上海应用技术学院激光加工依靠熔融硅而制作通孔，故内壁粗糙度和热损伤较高；大规模制作通孔有成本优势；可以不需要掩膜版。材料论坛2010.03.17上海应用技术学院深层等离子体刻蚀工艺(DRIE)孔径小(5μm)、纵深比高的垂直硅通孔；与IC工艺兼容；通孔内壁平滑,对硅片的机械及物理损伤最小；制作成本较高。材料论坛2010.03.17上海应用技术学院典型的DRIE工艺SF6可以对Si进行快速各向同性的刻蚀；C4F8则沉积在上一步刻蚀的孔洞表面用以保护侧壁；沉积在孔洞底部的C4F8聚合物将被去除，使用SF6进行下一步的刻蚀。材料论坛2010.03.17上海应用技术学院三种硅通孔制作手段比较通孔制作手段湿法刻蚀干法刻蚀激光钻孔成孔速度1~11μm/min可达50μm/min2400通孔/s定位精度掩模决定++掩模决定++传送装置决定，约几μm深宽比1:1~1:601:801:7成孔精度亚微米亚微米~10μm通孔质量非常好一般好材料论坛2010.03.17上海应用技术学院晶圆减薄TSV要求芯片减薄至50微米甚至更薄，硅片强度明显下降，并出现一定的韧性；尽量小的芯片损伤，低的内应力,防止晶圆翘曲；机械研磨+湿法抛光。材料论坛2010.03.17上海应用技术学院研磨、抛光和刻蚀首先用直径9微米氧化铝粉末研磨2h，减薄至70微米；直径0.3微米氧化铝粉末抛光1h，并减薄至30~40微米；采用旋转喷射刻蚀除去受损部分并释放研磨和抛光中产生的内应力。旋转喷射刻蚀所用的喷头材料论坛2010.03.17上海应用技术学院RIE和BacksideProcessing旋转喷射刻蚀后孔底部距硅片表面只有3~5微米,经过反应离子刻蚀(RIE)之后露出表面;经光刻和湿法刻蚀使孔底部的铜暴露出来,为下一步的互连做准备。旋转喷射刻蚀后的硅片，左、右边分别为清洗前和清洗后。材料论坛2010.03.17上海应用技术学院三维叠层封装是今后电子封装技术发展的必然趋势通过硅通孔镀铜互连的TSV封装将成为三维封装技术的主流特征尺寸进入130纳米以下后，已全部采用大马士革镀铜互连工艺镀铜互连的层数逐年增加，目前已普遍达到9-12层芯片间（TSV）铜互连技术：芯片上层间铜互连技术：芯片上层间铜互连基板内层间铜互连硅片间铜互连（TSV）基板内层间铜互连技术基板内的多层化和芯片、器件内置需要大量的铜互连技术层间互连技术——超填充镀铜材料论坛2010.03.17上海应用技术学院Vialast镀铜填充Viafirst多晶硅填充Vialast电镀填充（Cu,Ni/Au)微镜头就是采用此方法TSV硅孔导电物质填充方法材料论坛2010.03.17上海应用技术学院通过两种以上的添加剂实现高深宽比填充，不允许产生空洞。普通添加剂很难获得满意效果难点之一：特殊的填充机制镀铜互连技术最大难点AcceleratorSuppresserLevelerAcceleratorSuppresserLevelerAcceleratorSuppresserLevelerAcceleratorSuppresserLevelerAcceleratorSuppresserLevelerAcceleratorSuppresserLeveler材料论坛2010.03.17上海应用技术学院从TSV数百微米的硅孔，到大马士革铜互连的数十纳米，需要采用不同的添加剂，难度非常大难点之二：填充尺寸跨度大镀铜互连技术最大难点材料论坛2010.03.17上海应用技术学院大马士革镀铜，要求每分钟镀一片，TSV要求20分钟以内，业内有采用甲基磺酸铜的倾向难点之三：较高的沉积速率TSV硅孔的孔内面积（平方微米）填孔所需镀铜时间（分钟）●●数据来源：罗门哈斯镀铜互连技术最大难点材料论坛2010.03.17上海应用技术学院杂质含量多要求在ppb量级水平，微尘数量必须在很少的范围难点之四：纯度要求高镀铜互连技术最大难点材料论坛2010.03.17上海应用技术学院我们取得的核心成果InclinedViasVerticalVias不同硅孔填充效果我们发现的填充机制我们与上海新阳半导体材料股份公司合作，经过近两年的努力，发现了新的填充机制，据此已成功开发出国内第一代超级镀铜溶液，效果良好。目前，正在进行工业化产品开发材料论坛2010.03.17上海应用技术学院加速区抑制区极化电位电流我们发现的镀铜超填充机制加速剂尽量在低极化区发挥作用；抑制剂尽可能在高极化区发挥作用材料论坛2010.03.17上海应用技术学院chipRCCcoresubstrateadhesivechipRCCcoresubstrateadhesive基于芯片/器件内置的基板镀铜技术材料论坛2010.03.17上海应用技术学院电镀/印刷Au/Ni电镀/印刷凸点材质焊锡球金金电镀金金镀层熔融键合基板侧表面材质焊锡层焊锡层制备方法制备方法电镀/印刷电镀/印刷电镀电镀接触键合各项异性导电胶Au/Ni电镀高密度键合互连技术材料论坛2010.03.17上海应用技术学院含Cr中低温新型无铅焊料Sn-9Zn-0.05CrSn-9Zn-0.3CrSn-9Zn-0.1CrSn-9ZnSn-9Zn-XCr00.050.10.3加热前加热后250℃×25h使金相组织显著细化抗氧化性提高近三倍延展性提高30%以上润湿性得到相应改善有效抑制IMC层生长随着绿色电子技术的发展，微互连关键材料——无铅焊料的应用越来越广泛。但目前应用的无铅焊料存在着熔点高、成本高、焊接界面IMC层生长过快或抗氧化性较差，抗冲击性不好等问题。为此，本研究室展开了大量的基础研究工作，成功开发了一系列含微量Cr新型中低温无铅焊料。该成果申请国家发明专利6项（已授权4项）。微量Cr的作用焊料的抗氧化性IMC层的抑制效果焊料的力学性能Sn-3Ag-3BiSn-3Ag-3Bi-0.1CrSn-9Zn-3Bi-xCrSn-3Ag-3Bi-0.3CrSn-3Ag-3Bi上海市浦江人才计划（No.05PJ4065）JournalofElectronicMaterials,35:1734(2006)Cr对Sn-Ag-Bi焊料IMC层的抑制效果材料论坛2010.03.17上海应用技术学院三维封装对键合技术的新要求键合尺寸进一步降低，凸点等精度要求提高；降低键合温度，减少应力影响尽量避免使用助焊剂前后道工艺有良好兼容性；简化工艺，降低成本；凸点的无铅化；DIEChipChip印刷线路板（PCB）材料论坛2010.03.17上海应用技术学院高密度微凸点的电沉积制备技术随着封装密度的提高和三维封装技术的发展，微凸点尺寸与间距变得越来越小。当凸点尺寸缩小到40微米以后，目前工业上采用的置球法和丝网印刷法将难于保证精度，成本也将大幅上升。光刻-电沉积方法是高密度凸点形成的有效方法。本研究所已成功开发了无铅微凸点的整套技术，为今后工业化生产奠定了基础。电沉积后的微凸点回流后的微凸点电沉积微凸点的制作过程电沉积法制备高密度凸点的优势材料论坛2010.03.17上海应用技术学院各种各样的电镀凸点电沉积后的Sn凸点回流后的微凸点我们研究室制作的各种凸点Cu/Ni/In凸点材料论坛2010.03.17上海应用技术学院电镀凸点应注意的事项需要等离子刻蚀镀液要保证良好的浸润性超声处理有助于凸点形成材料论坛2010.03.17上海应用技术学院低温键合互连技术进展接插式键合互连方法数据来源：日立材料论坛2010.03.17上海应用技术学院Au-In低温互连低温键合技术进展在低温下生成高熔点的金属间化合物材料论坛2010.03.17上海应用技术学院基于纳米阵列材料的低温固态互连技术SEMimagesoftheNinanoconearrays.(a)Lowmagnification,(b)highmagnification.Demonstrationofthebondingprocess.Shearstrengthofthebumps.SEMimageoftheinterface.(a,b)edgeofthebump,(c