Тэхналогія ўпакоўкі - адзін з найважнейшых працэсаў у паўправадніковай прамысловасці. У адпаведнасці з формай упакоўкі яе можна падзяліць на ўпакоўку з разеткамі, упакоўку для павярхоўнага мантажу, упакоўку BGA, упакоўку памеру мікрасхемы (CSP), упакоўку з адным чыпам (SCM, зазор паміж правадкамі на друкаванай плаце (PCB)) і супадае пляцоўка платы інтэгральнай схемы (IC), пакет шматчыпавых модуляў (MCM, які можа аб'ядноўваць гетэрагенныя мікрасхемы), пакет вафельнага ўзроўню (WLP, у тым ліку вентылятарны выхад) пакет вафельнага ўзроўню (FOWLP), мікракампаненты для павярхоўнага мантажу (microSMD) і г.д.), трохмерны пакет (пакет мікразлучэнняў з выпукласцю, пакет міжзлучэнняў TSV і г.д.), сістэмны пакет (SIP), сістэма мікрасхем (SOC).
Формы 3D-упакоўкі ў асноўным дзеляцца на тры катэгорыі: утоены тып (укладанне прылады ў шматслаёвую праводку або ўкладанне ў падкладку), актыўны тып падкладкі (інтэграцыя крамянёвай пласціны: спачатку інтэгруйце кампаненты і падкладку пласціны для фарміравання актыўнай падкладкі затым арганізаваць шматслойныя лініі злучэння і сабраць іншыя мікрасхемы або кампаненты на верхнім слоі) і стэкавым тыпе (крэмній); пласціны, складзеныя разам з крэмніевымі пласцінамі, чыпы, складзеныя разам з крэмніевымі пласцінамі, і мікрасхемы, складзеныя разам з мікрасхемамі).
3D-метады ўзаемасувязі ўключаюць злучэнне правадоў (WB), фліп-чып (FC), праз крэмній праз (TSV), плёнкавы праваднік і г.д.
TSV рэалізуе вертыкальнае ўзаемасувязь паміж мікрасхемамі. Паколькі вертыкальная злучальная лінія мае найменшую адлегласць і больш высокую трываласць, лягчэй рэалізаваць мініяцюрызацыю, высокую шчыльнасць, высокую прадукцыйнасць і шматфункцыянальную гетэрагенную структуру ўпакоўкі. У той жа час ён таксама можа злучаць чыпы з розных матэрыялаў;
у цяперашні час існуе два тыпу тэхналогій вытворчасці мікраэлектронікі з выкарыстаннем працэсу TSV: трохмерная ўпакоўка схем (інтэграцыя 3D IC) і трохмерная ўпакоўка крэмнію (інтэграцыя 3D Si).
Розніца паміж дзвюма формамі ў тым, што:
(1) Упакоўка 3D-схемы патрабуе, каб электроды мікрасхемы былі падрыхтаваны ў няроўнасці, і няроўнасці злучаны паміж сабой (злучаны шляхам склейвання, плаўлення, зваркі і г.д.), у той час як 3D-крамянёвая ўпакоўка ўяўляе сабой прамую ўзаемасувязь паміж чыпамі (сувязь паміж аксідамі і Cu -Cu склейванне).
(2) Тэхналогія інтэграцыі 3D-схем можа быць дасягнута шляхам злучэння паміж пласцінамі (упакоўка 3D-схемы, 3D-крэмніевая ўпакоўка), у той час як злучэнне чып-чып і злучэнне чып-пласціна можа быць дасягнута толькі шляхам упакоўкі 3D-схемы.
(3) Існуюць прабелы паміж чыпамі, інтэграванымі працэсам упакоўкі 3D-схемы, і неабходна запоўніць дыэлектрычныя матэрыялы для рэгулявання цеплаправоднасці і каэфіцыента цеплавога пашырэння сістэмы для забеспячэння стабільнасці механічных і электрычных уласцівасцей сістэмы; няма зазораў паміж чыпамі, інтэграванымі ў працэс 3D крэмніевай упакоўкі, энергаспажыванне, аб'ём і вага чыпа невялікія, а электрычныя характарыстыкі выдатныя.
Працэс TSV можа пабудаваць вертыкальны шлях сігналу праз падкладку і злучыць RDL уверсе і ўнізе падкладкі, каб сфармаваць трохмерны шлях правадыра. Такім чынам, працэс TSV з'яўляецца адным з важных краевугольных камянёў для пабудовы трохмернай пасіўнай структуры прылады.
У адпаведнасці з парадкам паміж пачатковым канцом лініі (FEOL) і заднім канцом лініі (BEOL), працэс TSV можна падзяліць на тры асноўныя вытворчыя працэсы, а менавіта: першы (ViaFirst), сярэдні (Via Middle) і праз апошні (Via Last) працэс, як паказана на малюнку.
1. Праз працэс тручэння
Працэс тручэння з'яўляецца ключом да вытворчасці структуры TSV. Выбар падыходнага працэсу тручэння можа эфектыўна палепшыць механічную трываласць і электрычныя ўласцівасці TSV, а таксама звязаны з агульнай надзейнасцю трохмерных прылад TSV.
У цяперашні час існуюць чатыры асноўныя працэсы TSV з дапамогай працэсаў тручэння: глыбокае рэактыўнае іённае тручэнне (DRIE), вільготнае тручэнне, электрахімічнае тручэнне з дапамогай фота (PAECE) і лазернае свідраванне.
(1) Глыбокае рэактыўнае іённае тручэнне (DRIE)
Глыбокае рэактыўнае іённае тручэнне, таксама вядомае як працэс DRIE, з'яўляецца найбольш часта выкарыстоўваным працэсам тручэння TSV, які ў асноўным выкарыстоўваецца для рэалізацыі TSV праз структуры з высокім суадносінамі бакоў. Традыцыйныя працэсы плазменнага тручэння звычайна дазваляюць дасягнуць глыбіні тручэння ў некалькі мікрон з нізкай хуткасцю тручэння і адсутнасцю селектыўнасці маскі тручэння. Кампанія Bosch унесла адпаведныя паляпшэнні працэсу на гэтай аснове. Дзякуючы выкарыстанню элегазу ў якасці рэактыўнага газу і вылучэнню газу C4F8 падчас працэсу тручэння ў якасці пасіўнай абароны бакавін, палепшаны працэс DRIE падыходзіць для тручэння адтулін з высокім суадносінамі бакоў. Таму яго таксама называюць працэсам Боша ў гонар яго вынаходніка.
На малюнку ніжэй фотаздымак высокага суадносін бакоў, сфарміраваны працэсам тручэння DRIE.
Нягледзячы на тое, што працэс DRIE шырока выкарыстоўваецца ў працэсе TSV з-за яго добрай кіравальнасці, яго недахопам з'яўляецца тое, што плоскасць бакавіны дрэнная і будуць утварацца маршчыністыя дэфекты ў форме грабеньчыка. Гэты дэфект больш значны пры пратручванні адтулін з высокім суадносінамі бакоў.
(2) Мокрае тручэнне
Мокрае тручэнне выкарыстоўвае камбінацыю маскі і хімічнага тручэння для тручэння праз адтуліны. Найбольш часта выкарыстоўваным травільным растворам з'яўляецца KOH, які можа вытраўліваць месцы на крамянёвай падкладцы, якія не абаронены маскай, утвараючы такім чынам патрэбную структуру скразных адтулін. Мокрае тручэнне - гэта самы ранні распрацаваны працэс тручэння праз скразныя адтуліны. Паколькі этапы працэсу і неабходнае абсталяванне адносна простыя, ён падыходзіць для масавай вытворчасці TSV па нізкай цане. Аднак яго механізм хімічнага тручэння вызначае, што скразное адтуліну, утворанае гэтым метадам, будзе залежаць ад арыентацыі крышталя крэмніевай пласціны, што робіць выгравіраванае скразное адтуліну невертыкальным, але дэманструе выразны феномен шырокага верху і вузкага нізу. Гэты дэфект абмяжоўвае прымяненне мокрага тручэння ў вытворчасці TSV.
(3) Электрахімічнае тручэнне з дапамогай фота (PAECE)
Асноўны прынцып электрахімічнага тручэння з дапамогай фота (PAECE) заключаецца ў выкарыстанні ўльтрафіялетавага святла для паскарэння генерацыі электронна-дзірачных пар, тым самым паскараючы працэс электрахімічнага тручэння. У параўнанні з шырока выкарыстоўваным працэсам DRIE, працэс PAECE больш падыходзіць для тручэння скразных канструкцый са звышвялікімі суадносінамі бакоў больш за 100:1, але яго недахопам з'яўляецца тое, што кантроль глыбіні тручэння слабейшы, чым DRIE, і яго тэхналогія можа патрабуюць далейшых даследаванняў і ўдасканалення працэсу.
(4) Лазернае свідраванне
Адрозніваецца ад вышэйзгаданых трох метадаў. Метад лазернага свідравання - чыста фізічны метад. Ён у асноўным выкарыстоўвае высокаэнергетычнае лазернае апрамяненне для расплаўлення і выпарэння матэрыялу падкладкі ў вызначанай вобласці для фізічнай рэалізацыі канструкцыі TSV са скразнымі адтулінамі.
Скразное адтуліну, утворанае лазерным свідраваннем, мае высокае суадносіны бакоў, а бакавая сценка ў асноўным вертыкальная. Аднак, паколькі лазернае свідраванне фактычна выкарыстоўвае лакальны нагрэў для фарміравання скразнога адтуліны, сценка адтуліны TSV будзе падвяргацца негатыўнаму ўплыву тэрмічных пашкоджанняў і зніжэння надзейнасці.
2. Працэс нанясення лайнернага пласта
Яшчэ адна ключавая тэхналогія для вытворчасці TSV - працэс нанясення пласта падкладкі.
Працэс нанясення пласта падкладкі выконваецца пасля пратручвання скразнога адтуліны. Асаджаны пласт падшэўкі звычайна ўяўляе сабой аксід, напрыклад SiO2. Слой падкладкі размешчаны паміж унутраным правадніком TSV і падкладкай і ў асноўным выконвае ролю ізаляцыі ад уцечкі пастаяннага току. У дадатак да нанясення аксіду, бар'ерны і затравочны пласты таксама неабходныя для запаўнення правадніка ў наступным працэсе.
Выраблены пласт падкладкі павінен адпавядаць наступным двум асноўным патрабаванням:
(1) напружанне прабоя ізаляцыйнага пласта павінна адпавядаць рэальным працоўным патрабаванням TSV;
(2) нанесеныя пласты вельмі аднастайныя і маюць добрую адгезію адзін да аднаго.
На наступным малюнку паказана фатаграфія падкладачнага пласта, нанесенага метадам плазменнага хімічнага асаджэння з пароў (PECVD).
Працэс нанясення неабходна адпаведна наладзіць для розных вытворчых працэсаў TSV. Для працэсу пярэдняга скразнога адтуліны можна выкарыстоўваць працэс высокатэмпературнага нанясення для паляпшэння якасці аксіднага пласта.
Тыповае высокатэмпературнае асаджэнне можа быць заснавана на тэтраэтыл-ортасілікаце (TEOS) у спалучэнні з працэсам тэрмічнага акіслення для фарміравання вельмі аднастайнага высакаякаснага ізаляцыйнага пласта SiO2. Для працэсу сярэдняга скразнога адтуліны і зваротнага скразнога адтуліны, паколькі працэс BEOL быў завершаны падчас нанясення, для забеспячэння сумяшчальнасці з матэрыяламі BEOL патрабуецца нізкатэмпературны метад.
Пры гэтай умове тэмпература нанясення павінна быць абмежавана 450°, уключаючы выкарыстанне PECVD для нанясення SiO2 або SiNx у якасці ізаляцыйнага пласта.
Іншы распаўсюджаны метад - выкарыстанне атамнага пластовага нанясення (ALD) для нанясення Al2O3 для атрымання больш шчыльнага ізаляцыйнага пласта.
3. Працэс запаўнення металам
Працэс напаўнення TSV ажыццяўляецца адразу пасля працэсу нанясення ўкладыша, які з'яўляецца яшчэ адной ключавой тэхналогіяй, якая вызначае якасць TSV.
Матэрыялы, якія могуць быць напоўнены, уключаюць легаваны полікрымній, вальфрам, вугляродныя нанатрубкі і г.д. у залежнасці ад выкарыстоўванага працэсу, але найбольш распаўсюджаным па-ранейшаму з'яўляецца гальванічнае пакрыццё медзі, таму што яе працэс з'яўляецца сталым, а яе электрычная і цеплаправоднасць адносна высокая.
У адпаведнасці з розніцай у размеркаванні яго хуткасці гальванічнага пакрыцця ў скразным адтуліне яго можна ў асноўным падзяліць на субканформны, канформны, суперканформны і метады гальванічнага пакрыцця знізу ўверх, як паказана на малюнку.
Субконформное гальванічнае пакрыццё ў асноўным выкарыстоўвалася на ранняй стадыі даследаванняў TSV. Як паказана на малюнку (а), іёны Cu, атрыманыя ў выніку электролізу, канцэнтруюцца ўверсе, а ўнізе недастаткова дабаўлена, што прыводзіць да таго, што хуткасць гальванічнага пакрыцця ў верхняй частцы скразнога адтуліны вышэй, чым у ніжняй. Такім чынам, верх скразнога адтуліны будзе зачынены загадзя да поўнага запаўнення, а ўнутры ўтворыцца вялікая пустэча.
Прынцыповая схема і фота канформнага метаду гальванікі паказаны на малюнку (b). Забяспечваючы раўнамерную дабаўку іёнаў Cu, хуткасць гальванічнага пакрыцця ў кожнай пазіцыі ў скразным адтуліне ў асноўным аднолькавая, таму ўнутры застанецца толькі шво, а аб'ём пустэчы значна меншы, чым пры субканформным метадзе гальванічнага пакрыцця, таму ён шырока выкарыстоўваецца.
Для далейшага дасягнення эфекту запаўнення без пустэч быў прапанаваны метад звышканформнага гальванічнага пакрыцця для аптымізацыі метаду канформнага гальванічнага пакрыцця. Як паказана на малюнку (c), шляхам кантролю падачы іёнаў Cu хуткасць напаўнення ўнізе крыху вышэйшая, чым у іншых пазіцыях, тым самым аптымізуючы крокавы градыент хуткасці напаўнення знізу ўверх, каб цалкам ліквідаваць левы шво метадам канформнага гальванічнага пакрыцця, каб дасягнуць поўнага запаўнення металічнай меддзю без пустот.
Метад гальванічнага пакрыцця знізу ўверх можна разглядаць як прыватны выпадак суперконформного метаду. У гэтым выпадку хуткасць гальванічнага пакрыцця, за выключэннем ніжняга, зніжаецца да нуля, і толькі гальванічнае пакрыццё паступова ажыццяўляецца знізу ўверх. У дадатак да перавагі канформнага метаду гальванічнага пакрыцця без пустот, гэты метад таксама можа эфектыўна скараціць агульны час гальванічнага пакрыцця, таму ў апошнія гады ён шырока вывучаўся.
4. Тэхналогія працэсу РДЛ
Працэс RDL з'яўляецца незаменнай базавай тэхналогіяй у працэсе трохмернай упакоўкі. З дапамогай гэтага працэсу металічныя злучэнні могуць быць выраблены з абодвух бакоў падкладкі для дасягнення мэты пераразмеркавання партоў або ўзаемасувязі паміж пакетамі. Такім чынам, працэс RDL шырока выкарыстоўваецца ў сістэмах упакоўкі вентылятар у вентылятар або 2,5D/3D.
У працэсе стварэння трохмерных прылад працэс RDL звычайна выкарыстоўваецца для злучэння TSV для рэалізацыі розных структур трохмерных прылад.
У цяперашні час існуюць два асноўныя працэсы RDL. Першы заснаваны на фотаадчувальных палімерах і ў спалучэнні з меднымі працэсамі гальванікі і тручэння; іншы рэалізаваны з дапамогай працэсу Cu Damascus у спалучэнні з працэсам PECVD і хіміка-механічнай паліроўкі (CMP).
Далей будуць прадстаўлены шляхі асноўных працэсаў гэтых двух RDL адпаведна.
Працэс RDL на аснове святлоадчувальнага палімера паказаны на малюнку вышэй.
Спачатку на паверхню пласціны шляхам кручэння наносіцца пласт клею PI або BCB, а пасля награвання і зацвярдзення выкарыстоўваецца працэс фоталітаграфіі, каб адкрыць адтуліны ў патрэбным месцы, а затым выконваецца тручэнне. Далей, пасля выдалення фотарэзіста, Ti і Cu напыляюцца на пласціну праз працэс фізічнага нанясення з паравай фазы (PVD) у якасці бар'ернага пласта і затравочнага пласта адпаведна. Затым на адкрытым слоі Ti/Cu вырабляецца першы пласт RDL шляхам камбінавання працэсаў фоталітаграфіі і гальванікі Cu, пасля чаго фотарэзіст выдаляецца, а лішкі Ti і Cu выдаляюцца. Паўтарыце апісаныя вышэй крокі, каб сфармаваць шматслаёвую структуру RDL. Гэты метад у цяперашні час больш шырока выкарыстоўваецца ў прамысловасці.
Іншы метад вытворчасці RDL у асноўным заснаваны на працэсе Cu Damascus, які спалучае працэсы PECVD і CMP.
Розніца паміж гэтым метадам і працэсам RDL на аснове фотаадчувальнага палімера заключаецца ў тым, што на першым этапе вырабу кожнага пласта PECVD выкарыстоўваецца для нанясення SiO2 або Si3N4 у якасці ізаляцыйнага пласта, а затым на ізаляцыйным пласце фарміруецца акно з дапамогай фоталітаграфіі і рэактыўнае іённае тручэнне, Ti/Cu бар'ерны/затравочны пласт і правадная медзь напыляюцца адпаведна, а затым праваднік пласт вытанчаецца да неабходнай таўшчыні з дапамогай працэсу CMP, гэта значыць, фарміруецца пласт RDL або скразны пласт.
Наступны малюнак уяўляе сабой схематычную дыяграму і фатаграфію папярочнага разрэзу шматслойнага RDL, пабудаванага на аснове працэсу Cu Damascus. Можна заўважыць, што TSV спачатку злучаецца са скразным пластом V01, а потым укладваецца знізу ўверх у парадку RDL1, скразнога пласта V12 і RDL2.
Кожны пласт RDL або скразны пласт вырабляецца паслядоўна ў адпаведнасці з вышэйапісаным метадам.Паколькі працэс RDL патрабуе выкарыстання працэсу CMP, кошт яго вытворчасці вышэй, чым у працэсу RDL на аснове святлоадчувальнага палімера, таму яго прымяненне адносна нізкае.
5. Тэхналогія працэсу ІПД
Для вытворчасці трохмерных прылад, у дадатак да прамой інтэграцыі на чыпе на MMIC, працэс IPD забяспечвае іншы больш гнуткі тэхнічны шлях.
Інтэграваныя пасіўныя прылады, таксама вядомыя як працэс IPD, аб'ядноўваюць любую камбінацыю пасіўных прылад, у тым ліку шпулькі індуктыўнасці на мікрасхеме, кандэнсатары, рэзістары, балунныя пераўтваральнікі і г.д., на асобнай падкладцы для фарміравання бібліятэкі пасіўных прылад у выглядзе платы перадачы, якая можа гнутка называцца ў адпаведнасці з патрабаваннямі дызайну.
Паколькі ў працэсе IPD пасіўныя прылады вырабляюцца і непасрэдна інтэгруюцца ў плату перадачы, працэс працэсу прасцей і танней, чым інтэграцыя мікрасхем на чыпе, і можа вырабляцца масава загадзя ў якасці бібліятэкі пасіўных прылад.
Для вытворчасці трохмерных пасіўных прылад TSV IPD можа эфектыўна кампенсаваць цяжар працэсаў трохмернай упакоўкі, уключаючы TSV і RDL.
У дадатак да пераваг у кошце, яшчэ адной перавагай IPD з'яўляецца яго высокая гнуткасць. Адна з гібкасці IPD выяўляецца ў разнастайных метадах інтэграцыі, як паказана на малюнку ніжэй. У дадатак да двух асноўных метадаў непасрэднай інтэграцыі IPD у падкладку ўпакоўкі з дапамогай працэсу фліп-чыпа, як паказана на малюнку (a), або працэсу злучэння, як паказана на малюнку (b), яшчэ адзін пласт IPD можа быць інтэграваны ў адзін пласт. IPD, як паказана на малюнках (c)-(e), каб атрымаць больш шырокі спектр камбінацый пасіўных прылад.
У той жа час, як паказана на малюнку (f), IPD можа выкарыстоўвацца ў якасці адаптарнай платы для прамога размяшчэння інтэграванага чыпа на ёй для стварэння сістэмы ўпакоўкі высокай шчыльнасці.
Пры выкарыстанні IPD для стварэння трохмерных пасіўных прылад таксама можна выкарыстоўваць працэсы TSV і RDL. Паток працэсу ў асноўным такі ж, як і вышэйзгаданы метад апрацоўкі інтэграцыі на чыпе, і не будзе паўтарацца; розніца ў тым, што, паколькі аб'ект інтэграцыі змяняецца з чыпа на плату адаптара, няма неабходнасці ўлічваць уплыў працэсу трохмернай упакоўкі на актыўную вобласць і ўзровень узаемасувязі. Гэта таксама прыводзіць да яшчэ адной ключавой гнуткасці IPD: мноства матэрыялаў падкладкі можна гнутка выбіраць у адпаведнасці з патрабаваннямі да канструкцыі пасіўных прылад.
Матэрыялы падкладкі, даступныя для IPD, - гэта не толькі звычайныя паўправадніковыя матэрыялы падкладкі, такія як Si і GaN, але таксама кераміка Al2O3, нізкатэмпературная і высокатэмпературная кераміка з сумесным абпалам, шкляныя падкладкі і г. д. Гэтая функцыя эфектыўна пашырае гібкасць канструкцыі пасіўных прылады, інтэграваныя IPD.
Напрыклад, трохмерная пасіўная структура індуктара, інтэграваная IPD, можа выкарыстоўваць шкляную падкладку для эфектыўнага паляпшэння прадукцыйнасці індуктара. У адрозненне ад канцэпцыі TSV, скразныя адтуліны, зробленыя на шкляной падкладцы, таксама называюцца скразнымі шклянымі адтулінамі (TGV). Фота трохмернага індуктара, вырабленага па працэсах IPD і TGV, прадстаўлена на малюнку ніжэй. Паколькі ўдзельнае супраціўленне шкляной падкладкі значна вышэйшае, чым у звычайных паўправадніковых матэрыялаў, такіх як Si, трохмерны індуктар TGV мае лепшыя ізаляцыйныя ўласцівасці, а ўносяцца страты, выкліканыя паразітным эфектам падкладкі на высокіх частотах, значна меншыя, чым у звычайны трохмерны індуктар TSV.
З іншага боку, кандэнсатары метал-ізалятар-метал (MIM) таксама могуць вырабляцца на шкляной падкладцы IPD з дапамогай працэсу нанясення тонкай плёнкі і злучацца з трохмерным індуктарам TGV для фарміравання трохмернай структуры пасіўнага фільтра. Такім чынам, працэс IPD мае шырокі патэнцыял прымянення для распрацоўкі новых трохмерных пасіўных прылад.
Час публікацыі: 12 лістапада 2024 г