三维封装与系统封装

现代微电子封装材料及封装技术第三部分电子封装原理与技术李明材料科学与工程学院电子封装概论引线框架型封装球栅阵列型封装二级电子封装（微组装）电子封装材料三维电子封装及系统封装发展趋势：微小化、多功能化、集成化更大规模的多功能集成、与人类健康相关的生物电子产品会高速发展社会需求与产业发展趋势卫星通讯、移动通讯、光通信、GPS导航等领域将会更多地利用高新电子产品Moore'sLawIntel创始人GordonMoore1965年提出集成电路的集成度，每18-24个月提高一倍1960以来，Moore定律一直有效是芯片上晶体管（脑细胞）尺寸随时间不断缩小的规律莫尔定律面临的挑战接近物理极限功耗接近极限制造工艺极限芯片制造的挑战脑细胞（晶体管）尺寸已接近物理极限芯片制造22nm以下面临的问题DRAMonlogicDRAMFlash3D—IC集成将是芯片制造未来的选择MorethanMoore神经网络尺寸/长度减小3D维立体化集成MooreLaw脑细胞的尺寸减小3D集成是实现超越莫尔定律的重要途径3D系统集成与封装具有更大的发展潜力，将成为今后的主流技术3D系统封装（SIP）的主要优势SIP——SysteminPackage将各种功能系统地集成到封装体内的封装方法可有效利用立体空间可以集成多种芯片和MEMS器件，有利于实现多功能、更大规模的集成提高封装密度，缩小封装体积缩短引线长度，提高传输速度节省材料，降低成本进一步降低能耗3DSIP主要优势SingleChipPackageStackedPackageFlipChipStackedDie1995200020052010QFPMultipleChipPackageBGAMCMFC+WBSystem-in-a-PackageLaminate2&4LayerBuild-UpSubstrateMulti-LayerPCBChipPiPPoPWirebondWirebond+FCNewInterconnection目前已实现的3D封装技术基于打线的3D-SIP封装技术基于硅通孔（TSV）的3D-SIP技术MEMS3D-ICSi/GlassInterposerRFICPCB■连线长度缩短到芯片厚度，传输距离减少到千分之一■可以实现复杂的多片全硅系统集成■可以显著减小RC延迟，提高计算速度■显著降低噪声、能耗和成本通过硅通孔实现芯片间垂直互连和三维集成封装主要优势TSV——ThroughSiliconViaCMOSImageSensorCISOrganicInterposerCISLogicDramOrganicInterposerHighSpeedFlashFlashFlashFlashFlashFlashFlashFlashCISSiInterposerDSPMemorySiInterposerDramVia:40umHole:100t=200umVia:5-10umHole:100KLogicDramDramLogicVia:20umbyLaserHole:100t:50umVia:1-5umHole:1000t:20-50umMCPPOPMultiFunctionLogicMultifunctiononchipNANDDRAMSensorLogicAnalogRFDRAMMPURFCISNANDDRAMcacheonLOGIC2006200720082009201020112012201320142005ThinwaferMulti-layerSmallviasViasdensityt=50umt=200umSource:TEL&SematechTSV-3D叠层封装与未来发展趋势TSV硅通孔的基本构造TSV封装中的关键技术1.硅孔制作2.绝缘层、阻挡层和种子层沉积3.硅孔导电物质填充4.晶圆减薄5.晶圆键合TSV制造工艺ThinningCMOS+BEOLViasBonding“Viafirst”工艺“Vialast”工艺ThinningCMOSViasBondingBEOLThinningCMOS+BEOLViasBondingThinningCMOS+BEOLViasBonding1)在CMOS之前2)在CMOS之后，BEOL之前3)在BEOL后，bonding之前4)在Bonding之后TSV制造工艺1.硅通孔成形技术目前制作硅通孔的主要手段有湿法刻蚀，激光加工和干法刻蚀（深反应离子刻蚀，DRIE）三种。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。湿法刻蚀激光加工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。1.硅通孔成形技术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；通孔内壁平滑,对硅片的机械及物理损伤最小；与IC工艺兼容；制作成本较高。1.硅通孔成形技术该方法是目前的主流方法典型的DRIE工艺SF6对Si进行快速各向同性的刻蚀；C4F8沉积在上一步刻蚀孔表面用以保护侧壁；沉积在孔洞底部的C4F8将被去除，使用SF6进行下一步的刻蚀。1.硅通孔成形技术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1.硅通孔成形技术2.绝缘层、阻挡层和种子层沉积阻挡层TiN绝缘层SiO2CopperSeedLayer绝缘层：SiO2阻挡层：TiN种子层：Cu目前常用的三种薄膜材料3.硅孔导电物质填充与镀铜技术MOCVD：填充金属W，成本高,只适用(≤5μm)LPCVD：填充多晶硅，导电性能有限,寄生干扰电容较大填充导电胶—易产生气泡且工艺难度较高,导电性能较低电镀Cu—成本低，适宜批量，特有的superfilling通孔内导电互连的实现目前主要有四种方法Vialast镀铜填充Viafirst多晶硅填充Vialast电镀填充（Ni/Au)等厚生长法（Conformalfilling）只适用于斜孔，不适用于直孔底部生长法（Bottomupfilling）可适用于大身宽比TSV孔镀铜填充的基本方法混合生长法，可提高填孔速度3.硅孔导电物质填充与镀铜技术添加剂——一种表面活性剂CuCu2+添加剂吸附层反应加速添加剂对电沉积反应的影响加速剂——产生催化效果抑制剂——阻碍铜离子沉积反应抑制AcceleratorSuppresserLevelerAcceleratorSuppresserLevelerAcceleratorSuppresserLevelerAcceleratorSuppresserLevelerAcceleratorSuppresserLevelerAcceleratorSuppresserLeveler3.硅孔导电物质填充与镀铜技术主要依靠两种作用相反的添加剂的竞争吸附来实现的抑制剂S：抑制铜的生长，主要在TSV孔表面与侧壁吸附，加速剂A：加速铜的生长，主要在TSV孔底吸附镀铜填充的基本方法4.晶圆减薄技术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。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4.晶圆减薄技术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。4.晶圆减薄技术4.晶圆减薄技术焊球ACF(P)NCF(P),MBB压着，合金导电浆微细化：（50μm）一般良好良好低应力化：（5g以下）良好良好低成本化良好特性：（电阻）R：~5mΩR：50~300mΩR：~20mΩR：~5mΩR：50~300mΩ常见芯片键合方式焊球连接各向异性导电胶非导电胶粘接合金连接导电浆连接等ACF(P)：anisotropicconductivefilm(paste);NCF(P):non-conductivefilm(paste);MBB:microbumpbonding5.F2F—键合技术5.F2F—键合技术5.F2F—键合技术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；三维封装对键合技术的新要求目前仍采用锡合金钎焊技术5.F2F—键合技术键合需要凸点（Bump），一般采用电镀方法完成低温键合技术研究进展5.F2F—凸点键合技术Cu-Cu低温键合技术插座式键合技术各种TSV封装产品的市场预测最早采用TSV的产品-微摄像头（CIS）把光转化为电荷的器件，1969年有美国贝尔研究室开发结构：由微型镜头/分色滤色片/感光层组成三层结构原理：感光产生电荷并传输到信号处理芯片上成为像素CCD上有成百万个像素构成矩阵，形成大规模像素工艺复杂、成本高、耗电量大，像素提升几近极限早期微摄像头CCD—电荷藕合器件(Change-CoupledDevice)当今微摄像头CIS—CMOS图像传感器(CMOSImageSensor)20世纪80年代，由英国爱丁堡大学成功开发通过CMOS器件把光转化为电荷技术简单，兼容性好，可大规模制造耗电少，只需一组电源，与周边电路整合性高面积增大成本增加较少，价格低，技术提升前景广阔最早采用TSV的产品-微摄像头（CIS）CIS—CmosImageSensor打线式CISTSV式CIS最初CIS采用陶瓷封装，打线键合体积庞大高成本(占整个产品的30%)ConventionalConventional采用TSV垂直互连，封装缩小尺寸、圆锥型TSV，锥度70°降低成本CISSiInterposerDSPCISCISSiInterposerDSP采用TSV型硅转接板可以集成DSP芯片，达到进一步减小尺寸的目的最早采用TSV的产品-微摄像头（CIS）最早采用TSV的产品-微摄像头（CIS）TSV封装技术将带来产业结构变化晶圆制造电子封装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-3DMCMBGA小结莫尔定律的局限性3D-IC集成与系统封装3D-SIP封装TSV-3D技术CIS