Tehnologija pakiranja je eden najpomembnejših procesov v industriji polprevodnikov. Glede na obliko paketa ga lahko razdelimo na paket vtičnic, paket za površinsko montažo, paket BGA, paket velikosti čipa (CSP), paket modulov z enim čipom (SCM, vrzel med ožičenjem na tiskanem vezju (PCB) in plošča plošče integriranega vezja (IC) se ujema), paket modulov z več čipi (MCM, ki lahko integrira heterogene čipe), paket ravni rezin (WLP, vključno z ventilatorjem paket rezin (FOWLP), komponente za mikro površinsko montažo (microSMD) itd.), tridimenzionalni paket (paket za medsebojno povezovanje z mikro bump, paket za medsebojno povezovanje TSV itd.), sistemski paket (SIP), sistem čipov (SOC).
Oblike 3D embalaže so v glavnem razdeljene v tri kategorije: zakopana vrsta (zakopana naprava v večslojno ožičenje ali zakopana v substrat), aktivna vrsta substrata (integracija silicijeve rezine: najprej integrirajte komponente in substrat za rezino, da oblikujete aktivni substrat ; nato razporedite večplastne povezovalne linije in sestavite druge čipe ali komponente na zgornji plasti) in zloženi tip (silicij). rezine, zložene s silicijevimi rezinami, čipi, zloženi s silicijevimi rezinami, in čipi, zloženi s čipi).
Metode 3D medsebojnega povezovanja vključujejo spajanje žic (WB), flip chip (FC), prek silicija (TSV), filmski prevodnik itd.
TSV realizira vertikalno medsebojno povezavo med čipi. Ker ima navpična povezovalna linija najkrajšo razdaljo in večjo trdnost, je lažje uresničiti miniaturizacijo, visoko gostoto, visoko zmogljivost in večnamensko heterogeno strukturo pakiranja. Hkrati lahko med seboj povezuje čipe iz različnih materialov;
trenutno obstajata dve vrsti proizvodnih tehnologij mikroelektronike, ki uporabljajo postopek TSV: tridimenzionalna embalaža vezja (3D integracija IC) in tridimenzionalna silicijeva embalaža (3D Si integracija).
Razlika med obema oblikama je v tem, da:
(1) Embalaža 3D vezja zahteva, da so elektrode čipa pripravljene v izbokline, izbokline pa so medsebojno povezane (zlepljene z lepljenjem, fuzijo, varjenjem itd.), medtem ko je 3D silicijeva embalaža neposredna medsebojna povezava med čipi (vez med oksidi in Cu -Cu vezava).
(2) Tehnologijo integracije 3D vezja je mogoče doseči s povezovanjem med rezinami (3D embalaža vezja, 3D silikonska embalaža), medtem ko je povezovanje čipa s čipom in povezovanje čipa z rezino mogoče doseči le s 3D pakiranjem vezja.
(3) Obstajajo vrzeli med čipi, integriranimi s postopkom pakiranja 3D vezja, in dielektrične materiale je treba zapolniti, da prilagodite toplotno prevodnost in koeficient toplotnega raztezanja sistema, da zagotovite stabilnost mehanskih in električnih lastnosti sistema; med čipi, integriranimi s postopkom pakiranja 3D silicija, ni vrzeli, poraba energije, prostornina in teža čipa so majhne, električna zmogljivost pa odlična.
Postopek TSV lahko izdela navpično signalno pot skozi substrat in poveže RDL na vrhu in dnu substrata, da tvori tridimenzionalno prevodno pot. Zato je postopek TSV eden od pomembnih temeljev za konstrukcijo tridimenzionalne strukture pasivne naprave.
Glede na vrstni red med sprednjim koncem linije (FEOL) in zadnjim koncem linije (BEOL) lahko proces TSV razdelimo na tri glavne proizvodne procese, in sicer prek prvega (ViaFirst), prek srednjega (Via Middle) in prek zadnjega (Via Last) procesa, kot je prikazano na sliki.
1. S postopkom jedkanja
Postopek jedkanja je ključ do izdelave strukture TSV. Izbira ustreznega postopka jedkanja lahko učinkovito izboljša mehansko trdnost in električne lastnosti TSV ter nadalje povezana s splošno zanesljivostjo tridimenzionalnih naprav TSV.
Trenutno obstajajo štirje glavni tokovi TSV prek postopkov jedkanja: globoko reaktivno ionsko jedkanje (DRIE), mokro jedkanje, foto-podprto elektrokemijsko jedkanje (PAECE) in lasersko vrtanje.
(1) Globoko reaktivno ionsko jedkanje (DRIE)
Globoko reaktivno ionsko jedkanje, znano tudi kot postopek DRIE, je najpogosteje uporabljen postopek jedkanja TSV, ki se uporablja predvsem za realizacijo TSV prek struktur z visokim razmerjem stranic. Tradicionalni postopki plazemskega jedkanja lahko na splošno dosežejo samo globino jedkanja nekaj mikronov, z nizko stopnjo jedkanja in pomanjkanjem selektivnosti maske za jedkanje. Bosch je na tej podlagi naredil ustrezne izboljšave procesa. Z uporabo SF6 kot reaktivnega plina in sproščanjem plina C4F8 med postopkom jedkanja kot pasivne zaščite stranskih sten je izboljšan postopek DRIE primeren za jedkanje odprtin z visokim razmerjem stranic. Zato se po njegovem izumitelju imenuje tudi Boschev postopek.
Spodnja slika je fotografija visokega razmerja stranic, oblikovana z jedkanjem po postopku DRIE.
Čeprav se postopek DRIE pogosto uporablja v procesu TSV zaradi dobre vodljivosti, je njegova pomanjkljivost, da je stranska stena slaba, zaradi česar se bodo oblikovale napake v obliki pokrovače. Ta napaka je pomembnejša pri jedkanju odprtin z visokim razmerjem stranic.
(2) Mokro jedkanje
Mokro jedkanje uporablja kombinacijo maske in kemičnega jedkanja za jedkanje skozi luknje. Najpogosteje uporabljena raztopina za jedkanje je KOH, ki lahko jedka položaje na silikonskem substratu, ki niso zaščiteni z masko, in tako tvori želeno strukturo skozi luknjo. Mokro jedkanje je najzgodnejši razvit postopek jedkanja skozi luknje. Ker so njegovi procesni koraki in zahtevana oprema relativno preprosti, je primeren za množično proizvodnjo TSV z nizkimi stroški. Vendar njegov mehanizem kemičnega jedkanja določa, da bo na skoznjo luknjo, oblikovano s to metodo, vplivala kristalna orientacija silicijeve rezine, zaradi česar jedkana skoznja luknja ni navpična, vendar kaže jasen pojav širokega vrha in ozkega dna. Ta napaka omejuje uporabo mokrega jedkanja pri izdelavi TSV.
(3) Foto-asistirano elektrokemijsko jedkanje (PAECE)
Osnovno načelo foto-podprtega elektrokemičnega jedkanja (PAECE) je uporaba ultravijolične svetlobe za pospešitev generiranja parov elektron-luknja, s čimer se pospeši proces elektrokemičnega jedkanja. V primerjavi s široko uporabljenim postopkom DRIE je postopek PAECE bolj primeren za jedkanje struktur skozi luknje z izjemno velikim razmerjem stranic, večjim od 100:1, vendar je njegova pomanjkljivost, da je nadzor nad globino jedkanja šibkejši od DRIE, njegova tehnologija pa lahko zahtevajo nadaljnje raziskave in izboljšave postopka.
(4) Lasersko vrtanje
Se razlikuje od zgornjih treh metod. Metoda laserskega vrtanja je povsem fizikalna metoda. V glavnem uporablja visokoenergijsko lasersko obsevanje za taljenje in izhlapevanje substratnega materiala na določenem območju za fizično realizacijo konstrukcije TSV skozi luknjo.
Skoznja luknja, oblikovana z laserskim vrtanjem, ima visoko razmerje stranic, stranska stena pa je v bistvu navpična. Ker pa lasersko vrtanje dejansko uporablja lokalno segrevanje za oblikovanje skoznje luknje, bo na steno luknje TSV negativno vplivala toplotna poškodba in zmanjšala zanesljivost.
2. Postopek nanašanja podložnega sloja
Druga ključna tehnologija za proizvodnjo TSV je postopek nanašanja plasti obloge.
Postopek nanašanja podložne plasti se izvede po jedkanju skoznje luknje. Nanešena obloga je na splošno oksid, kot je SiO2. Plast podloge je nameščena med notranjim prevodnikom TSV in substratom ter ima predvsem vlogo izolacije uhajanja enosmernega toka. Poleg nanosa oksida so za polnjenje prevodnika v naslednjem procesu potrebne tudi pregradne in semenske plasti.
Izdelana plast mora izpolnjevati naslednji dve osnovni zahtevi:
(1) prebojna napetost izolacijskega sloja mora izpolnjevati dejanske delovne zahteve TSV;
(2) naneseni sloji so zelo konsistentni in imajo dober oprijem drug na drugega.
Naslednja slika prikazuje fotografijo podložne plasti, nanesene s kemičnim naparjevanjem, izboljšanim s plazmo (PECVD).
Postopek nanašanja je treba ustrezno prilagoditi za različne proizvodne procese TSV. Za postopek sprednje skoznje luknje je mogoče uporabiti postopek nanašanja pri visoki temperaturi za izboljšanje kakovosti oksidne plasti.
Tipično nanašanje pri visokih temperaturah lahko temelji na tetraetil ortosilikatu (TEOS) v kombinaciji s postopkom termične oksidacije, da se oblikuje zelo konsistentna visokokakovostna izolacijska plast SiO2. Ker je bil postopek BEOL zaključen med nanašanjem, je za postopek s srednjo skoznjo in zadnjo skoznjo luknjo potrebna nizkotemperaturna metoda, da se zagotovi združljivost z materiali BEOL.
Pod tem pogojem mora biti temperatura nanašanja omejena na 450 °, vključno z uporabo PECVD za nanašanje SiO2 ali SiNx kot izolacijske plasti.
Druga pogosta metoda je uporaba atomskega nanosa (ALD) za nanos Al2O3, da dobimo gostejšo izolacijsko plast.
3. Postopek polnjenja kovine
Postopek polnjenja TSV se izvede takoj po postopku nanašanja obloge, kar je še ena ključna tehnologija, ki določa kakovost TSV.
Materiali, ki jih je mogoče napolniti, vključujejo dopirani polisilicij, volfram, ogljikove nanocevke itd., odvisno od uporabljenega postopka, vendar je še vedno najbolj razširjen galvaniziran baker, ker je njegov postopek zrel, njegova električna in toplotna prevodnost pa sta relativno visoki.
Glede na porazdelitev razlike hitrosti galvanizacije v skoznji luknji jo lahko v glavnem razdelimo na subkonformne, konformne, superkonformne metode galvanizacije in metode galvanizacije od spodaj navzgor, kot je prikazano na sliki.
Subkonformna galvanizacija se je v glavnem uporabljala v zgodnji fazi raziskav TSV. Kot je prikazano na sliki (a), so ioni Cu, ki nastanejo z elektrolizo, koncentrirani na vrhu, medtem ko je spodnji del premalo dopolnjen, zaradi česar je stopnja galvanizacije na vrhu skoznje luknje višja od tiste pod vrhom. Zato bo vrh skoznje luknje vnaprej zaprt, preden bo popolnoma napolnjen, v notranjosti pa bo nastala velika praznina.
Shematski diagram in fotografija metode konformne galvanizacije sta prikazana na sliki (b). Z zagotavljanjem enakomernega dopolnjevanja Cu ionov je hitrost galvanizacije na vsakem mestu v skoznji luknji v bistvu enaka, tako da bo v notranjosti ostal samo šiv, prostornina praznine pa je veliko manjša kot pri subkonformni metodi galvanizacije, tako da se pogosto uporablja.
Da bi dodatno dosegli učinek polnjenja brez praznin, je bila predlagana metoda superkonformne galvanizacije za optimizacijo metode konformne galvanizacije. Kot je prikazano na sliki (c), je z nadzorom dovoda Cu ionov stopnja polnjenja na dnu nekoliko višja od tiste na drugih položajih, s čimer se optimizira stopenjski gradient stopnje polnjenja od spodaj navzgor, da se popolnoma odpravi šiv na levi strani s konformno metodo galvanizacije, tako da dosežemo kovinsko bakreno polnjenje brez praznin.
Metodo galvanizacije od spodaj navzgor lahko obravnavamo kot poseben primer superkonformne metode. V tem primeru je stopnja galvanizacije, razen na dnu, zmanjšana na nič in samo galvanizacija se postopoma izvaja od spodaj navzgor. Poleg prednosti konformne metode galvanizacije brez praznin lahko ta metoda tudi učinkovito skrajša celoten čas galvanizacije, zato je bila v zadnjih letih obsežno raziskana.
4. Procesna tehnologija RDL
Postopek RDL je nepogrešljiva osnovna tehnologija v procesu tridimenzionalnega pakiranja. S tem postopkom je mogoče izdelati kovinske medsebojne povezave na obeh straneh substrata, da se doseže namen prerazporeditve vrat ali medsebojne povezave med paketi. Zato se postopek RDL pogosto uporablja v sistemih za pakiranje fan-in-fan-out ali 2,5D/3D.
V procesu gradnje tridimenzionalnih naprav se postopek RDL običajno uporablja za medsebojno povezovanje TSV za realizacijo različnih struktur tridimenzionalnih naprav.
Trenutno obstajata dva glavna procesa RDL. Prvi temelji na fotoobčutljivih polimerih in je kombiniran s postopki galvanizacije in jedkanja z bakrom; drugi se izvaja z uporabo postopka Cu Damascus v kombinaciji s postopkom PECVD in kemično mehanskega poliranja (CMP).
V nadaljevanju bodo predstavljene glavne procesne poti teh dveh RDL-jev.
Postopek RDL, ki temelji na fotoobčutljivem polimeru, je prikazan na zgornji sliki.
Najprej se na površino rezine z vrtenjem nanese sloj PI ali BCB lepila, po segrevanju in strjevanju pa se s postopkom fotolitografije odprejo luknje na želenem mestu, nato pa se izvede jedkanje. Nato se po odstranitvi fotorezista na rezino s postopkom fizičnega naparjevanja (PVD) nabrizga Ti in Cu kot pregradna plast oziroma začetna plast. Nato se na izpostavljeni plasti Ti/Cu izdela prva plast RDL s kombiniranjem postopkov fotolitografije in galvanizacije Cu, nato pa se fotorezist odstrani in presežek Ti in Cu se jedka. Ponovite zgornje korake, da oblikujete večplastno strukturo RDL. Ta metoda se trenutno bolj uporablja v industriji.
Druga metoda za proizvodnjo RDL temelji predvsem na procesu Cu Damask, ki združuje postopke PECVD in CMP.
Razlika med to metodo in postopkom RDL, ki temelji na fotoobčutljivem polimeru, je v tem, da se v prvem koraku izdelave vsake plasti uporabi PECVD za nanos SiO2 ali Si3N4 kot izolacijske plasti, nato pa se na izolacijski plasti s fotolitografijo in fotolitografijo oblikuje okno. reaktivno ionsko jedkanje, Ti/Cu pregradna/semenska plast in prevodni baker se razpršijo, nato pa se prevodni sloj stanjša na zahtevano debelino s postopkom CMP, torej se oblikuje plast RDL ali skozi luknjo.
Naslednja slika je shematični diagram in fotografija prereza večplastnega RDL, izdelanega na podlagi procesa Cu Damask. Opazimo lahko, da je TSV najprej povezan s plastjo skozi luknjo V01 in nato zložen od spodaj navzgor v vrstnem redu RDL1, plast skozi luknjo V12 in RDL2.
Vsaka plast RDL ali plast skozi luknjo je izdelana v zaporedju v skladu z zgornjo metodo.Ker postopek RDL zahteva uporabo postopka CMP, so njegovi proizvodni stroški višji od stroškov postopka RDL, ki temelji na fotoobčutljivem polimeru, zato je njegova uporaba relativno nizka.
5. IPD procesna tehnologija
Za izdelavo tridimenzionalnih naprav, poleg neposredne integracije na čipu na MMIC, postopek IPD zagotavlja še eno bolj prilagodljivo tehnično pot.
Integrirane pasivne naprave, znane tudi kot postopek IPD, integrirajo katero koli kombinacijo pasivnih naprav, vključno z induktorji na čipu, kondenzatorji, upori, balunski pretvorniki itd., na ločenem substratu, da tvorijo knjižnico pasivnih naprav v obliki prenosne plošče, ki lahko prilagodljivo poklicati glede na konstrukcijske zahteve.
Ker so v procesu IPD pasivne naprave izdelane in neposredno integrirane na prenosno ploščo, je njegov procesni tok enostavnejši in cenejši kot integracija IC-jev na čipu in se lahko množično proizvaja vnaprej kot knjižnica pasivnih naprav.
Za proizvodnjo tridimenzionalnih pasivnih naprav TSV lahko IPD učinkovito izravna stroškovno breme postopkov tridimenzionalne embalaže, vključno s TSV in RDL.
Poleg stroškovnih prednosti je druga prednost IPD njegova visoka prilagodljivost. Ena od prilagodljivosti IPD se odraža v raznolikih integracijskih metodah, kot je prikazano na spodnji sliki. Poleg dveh osnovnih metod neposredne integracije IPD v substrat paketa s postopkom flip-chip, kot je prikazano na sliki (a), ali postopkom lepljenja, kot je prikazano na sliki (b), je mogoče na eno plast integrirati še eno plast IPD. IPD, kot je prikazano na slikah (c)-(e), da dosežete širši obseg kombinacij pasivnih naprav.
Istočasno, kot je prikazano na sliki (f), se lahko IPD nadalje uporablja kot adapterska plošča za neposredno vgradnjo integriranega čipa nanjo za neposredno izgradnjo embalažnega sistema visoke gostote.
Pri uporabi IPD za gradnjo tridimenzionalnih pasivnih naprav je mogoče uporabiti tudi postopek TSV in postopek RDL. Potek procesa je v bistvu enak zgoraj omenjeni metodi procesiranja integracije na čipu in se ne bo ponavljal; razlika je v tem, da ker se predmet integracije spremeni iz čipa v adaptersko ploščo, ni treba upoštevati vpliva tridimenzionalnega pakirnega procesa na aktivno območje in povezovalni sloj. To nadalje vodi do druge ključne prilagodljivosti IPD: različne substratne materiale je mogoče prilagodljivo izbrati glede na konstrukcijske zahteve pasivnih naprav.
Substratni materiali, ki so na voljo za IPD, niso samo običajni polprevodniški substratni materiali, kot sta Si in GaN, ampak tudi keramika Al2O3, nizkotemperaturna/visokotemperaturna sožgana keramika, stekleni substrati itd. Ta funkcija učinkovito širi fleksibilnost zasnove pasivnih naprave, ki jih integrira IPD.
Na primer, tridimenzionalna pasivna induktorska struktura, ki jo integrira IPD, lahko uporabi stekleno podlago za učinkovito izboljšanje delovanja induktorja. V nasprotju s konceptom TSV se skoznje luknje na stekleni podlagi imenujejo tudi skoznje steklene odprtine (TGV). Fotografija tridimenzionalne tuljave, izdelane po postopkih IPD in TGV, je prikazana na spodnji sliki. Ker je upornost steklene podlage veliko višja od upornosti običajnih polprevodniških materialov, kot je silicij, ima tridimenzionalni induktor TGV boljše izolacijske lastnosti, vstavljena izguba, ki jo povzroči parazitski učinek podlage pri visokih frekvencah, pa je veliko manjša kot pri običajni tridimenzionalni induktor TSV.
Po drugi strani pa je mogoče kondenzatorje kovina-izolator-kovina (MIM) izdelati tudi na steklenem substratu IPD s postopkom nanašanja tankega filma in medsebojno povezati s tridimenzionalnim induktorjem TGV, da tvorijo tridimenzionalno strukturo pasivnega filtra. Zato ima postopek IPD širok potencial uporabe za razvoj novih tridimenzionalnih pasivnih naprav.
Čas objave: 12. nov. 2024