Technologia pakowania jest jednym z najważniejszych procesów w przemyśle półprzewodników. W zależności od kształtu opakowania można je podzielić na pakiet gniazd, pakiet do montażu powierzchniowego, pakiet BGA, pakiet rozmiaru chipa (CSP), pakiet modułu pojedynczego chipa (SCM, przerwa między okablowaniem na płytce drukowanej (PCB) i podkładki płytki układu scalonego (IC), pakiet modułów wielochipowych (MCM, który może integrować heterogeniczne chipy), pakiet na poziomie płytki (WLP, w tym pakiet na poziomie płytki z rozsuwanym układem (FOWLP), komponenty mikro do montażu powierzchniowego (microSMD ), itp.), pakiet trójwymiarowy (pakiet połączeń mikro-brzuchowych, pakiet połączeń TSV itp.), pakiet systemowy (SIP), system chipowy (SOC).
Formy opakowań 3D dzielą się głównie na trzy kategorie: typu zakopanego (zakopanie urządzenia w okablowaniu wielowarstwowym lub zakopanie w podłożu), typu aktywnego podłoża (integracja płytki krzemowej: najpierw zintegruj komponenty i podłoże płytki, aby utworzyć aktywne podłoże ; następnie ułóż wielowarstwowe linie łączące i zamontuj inne chipy lub komponenty na wierzchniej warstwie) i typu stosowego (płytki krzemowe ułożone w wafle krzemowe, chipy ułożone w wafle krzemowe i chipy ułożone w chipy).
Metody połączeń 3D obejmują łączenie przewodów (WB), chip typu flip chip (FC), przelotkę krzemową (TSV), przewodnik filmowy itp.
TSV realizuje pionowe połączenia między chipami. Ponieważ pionowa linia łącząca ma najkrótszą odległość i większą wytrzymałość, łatwiej jest zrealizować miniaturyzację, wysoką gęstość, wysoką wydajność i wielofunkcyjne opakowanie o heterogenicznej strukturze. Jednocześnie może również łączyć chipy z różnych materiałów;
obecnie istnieją dwa rodzaje technologii wytwarzania mikroelektroniki wykorzystujące proces TSV: trójwymiarowe pakowanie obwodów (integracja 3D IC) i trójwymiarowe pakowanie krzemu (integracja 3D Si).
Różnica pomiędzy tymi dwiema formami polega na tym, że:
(1) Pakowanie obwodów 3D wymaga przygotowania elektrod chipowych w nierówności, a nierówności są ze sobą połączone (połączone poprzez spajanie, stapianie, spawanie itp.), podczas gdy opakowanie krzemowe 3D stanowi bezpośrednie połączenie między chipami (wiązanie pomiędzy tlenkami i Cu -wiązanie Cu).
(2) Technologię integracji obwodów 3D można osiągnąć poprzez połączenie płytek (opakowanie obwodów 3D, opakowanie krzemu 3D), podczas gdy łączenie chipów z chipami i chipów z płytkami można osiągnąć jedynie poprzez pakowanie obwodów 3D.
(3) Pomiędzy chipami zintegrowanymi w procesie pakowania obwodów 3D występują luki i należy wypełnić materiały dielektryczne, aby dostosować przewodność cieplną i współczynnik rozszerzalności cieplnej systemu, aby zapewnić stabilność właściwości mechanicznych i elektrycznych systemu; nie ma przerw między chipami zintegrowanymi w procesie silikonowego pakowania 3D, a zużycie energii, objętość i waga chipa są niewielkie, a wydajność elektryczna jest doskonała.
W procesie TSV można zbudować pionową ścieżkę sygnału przez podłoże i połączyć RDL na górze i na dole podłoża, tworząc trójwymiarową ścieżkę przewodnika. Dlatego proces TSV jest jednym z ważnych kamieni węgielnych przy konstruowaniu trójwymiarowej struktury urządzenia pasywnego.
Zgodnie z kolejnością między przednim końcem linii (FEOL) a tylnym końcem linii (BEOL) proces TSV można podzielić na trzy główne procesy produkcyjne, a mianowicie: pierwszy (ViaFirst), środkowy (Via Middle) i poprzez ostatni proces (Via Last), jak pokazano na rysunku.
1. Poprzez proces trawienia
Proces trawienia przelotowego jest kluczem do wytworzenia struktury TSV. Wybór odpowiedniego procesu trawienia może skutecznie poprawić wytrzymałość mechaniczną i właściwości elektryczne TSV, a ponadto powiązać się z ogólną niezawodnością trójwymiarowych urządzeń TSV.
Obecnie istnieją cztery główne główne rodzaje TSV wykorzystujące procesy trawienia: głębokie reaktywne trawienie jonowe (DRIE), trawienie na mokro, trawienie elektrochemiczne wspomagane fotochemicznie (PAECE) i wiercenie laserowe.
(1) Głęboko reaktywne trawienie jonowe (DRIE)
Głęboko reaktywne trawienie jonowe, znane również jako proces DRIE, jest najczęściej stosowanym procesem trawienia TSV, który jest głównie stosowany do realizacji TSV za pomocą struktur o wysokim współczynniku kształtu. W tradycyjnych procesach trawienia plazmowego można na ogół osiągnąć głębokość trawienia rzędu kilku mikronów, przy niskiej szybkości trawienia i braku selektywności maski trawienia. Na tej podstawie firma Bosch wprowadziła odpowiednie ulepszenia procesów. Dzięki zastosowaniu SF6 jako gazu reaktywnego i uwolnieniu gazu C4F8 podczas procesu trawienia jako pasywacyjnej ochrony ścian bocznych, ulepszony proces DRIE nadaje się do trawienia przelotek o wysokim współczynniku kształtu. Dlatego nazywany jest również procesem Boscha, od nazwiska jego wynalazcy.
Poniższy rysunek przedstawia zdjęcie szkła o wysokim współczynniku proporcji utworzonego w procesie trawienia DRIE.
Chociaż proces DRIE jest szeroko stosowany w procesie TSV ze względu na jego dobrą sterowalność, jego wadą jest to, że płaskość ścian bocznych jest słaba i tworzą się defekty zmarszczek w kształcie muszelki. Wada ta jest bardziej znacząca podczas trawienia przelotek o wysokim współczynniku kształtu.
(2) Trawienie na mokro
Trawienie na mokro wykorzystuje kombinację maski i trawienia chemicznego do trawienia przez otwory. Najczęściej stosowanym roztworem trawiącym jest KOH, który może wytrawić miejsca na podłożu krzemowym, które nie są chronione przez maskę, tworząc w ten sposób pożądaną strukturę z otworami przelotowymi. Trawienie na mokro to najwcześniejszy opracowany proces trawienia przez otwory. Ponieważ etapy procesu i wymagany sprzęt są stosunkowo proste, nadaje się do masowej produkcji TSV przy niskich kosztach. Jednakże mechanizm trawienia chemicznego powoduje, że na otwór przelotowy utworzony tą metodą będzie miała wpływ orientacja kryształów płytki krzemowej, co sprawi, że wytrawiony otwór przelotowy będzie niepionowy, ale będzie wykazywać wyraźne zjawisko szerokiej góry i wąskiego dna. Wada ta ogranicza zastosowanie trawienia na mokro w produkcji TSV.
(3) Trawienie elektrochemiczne wspomagane fotochemicznie (PAECE)
Podstawową zasadą trawienia elektrochemicznego wspomaganego fotochemicznie (PAECE) jest wykorzystanie światła ultrafioletowego do przyspieszenia wytwarzania par elektron-dziura, przyspieszając w ten sposób proces trawienia elektrochemicznego. W porównaniu z powszechnie stosowanym procesem DRIE, proces PAECE jest bardziej odpowiedni do trawienia struktur przelotowych o bardzo dużych proporcjach większych niż 100:1, ale jego wadą jest to, że możliwość kontrolowania głębokości trawienia jest słabsza niż DRIE, a zastosowana w nim technologia może wymagają dalszych badań i udoskonalenia procesów.
(4) Wiercenie laserowe
Różni się od trzech powyższych metod. Metoda wiercenia laserowego jest metodą czysto fizyczną. Wykorzystuje głównie wysokoenergetyczne promieniowanie laserowe do topienia i odparowywania materiału podłoża w określonym obszarze, aby fizycznie zrealizować konstrukcję TSV z otworami przelotowymi.
Otwór przelotowy utworzony przez wiercenie laserowe ma wysoki współczynnik kształtu, a ściana boczna jest zasadniczo pionowa. Jednakże, ponieważ wiercenie laserowe w rzeczywistości wykorzystuje lokalne ogrzewanie do uformowania otworu przelotowego, ściana otworu TSV będzie wrażliwa na uszkodzenia termiczne i zmniejszy niezawodność.
2. Proces osadzania warstwy wykładzinowej
Inną kluczową technologią produkcji TSV jest proces osadzania warstwy wykładziny.
Proces osadzania warstwy wykładziny następuje po wytrawieniu otworu przelotowego. Osadzona warstwa wyściółki jest na ogół tlenkiem, takim jak SiO2. Warstwa wykładziny znajduje się pomiędzy wewnętrznym przewodnikiem TSV a podłożem i pełni głównie rolę izolującą upływ prądu stałego. Oprócz osadzania tlenku, do wypełnienia przewodnika w następnym procesie wymagane są również warstwy barierowe i zarodkowe.
Wytworzona warstwa wykładzinowa musi spełniać dwa podstawowe wymagania:
(1) napięcie przebicia warstwy izolacyjnej powinno odpowiadać rzeczywistym wymaganiom roboczym TSV;
(2) naniesione warstwy są bardzo spójne i mają dobrą przyczepność do siebie.
Poniższy rysunek przedstawia zdjęcie warstwy wykładzinowej osadzonej metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej wspomaganego plazmą (PECVD).
Proces osadzania należy odpowiednio dostosować do różnych procesów produkcyjnych TSV. W przypadku procesu z przednim otworem przelotowym można zastosować proces osadzania w wysokiej temperaturze w celu poprawy jakości warstwy tlenku.
Typowe osadzanie w wysokiej temperaturze może opierać się na ortokrzemianie tetraetylu (TEOS) w połączeniu z procesem utleniania termicznego w celu utworzenia bardzo spójnej, wysokiej jakości warstwy izolacyjnej SiO2. W przypadku procesu z otworem środkowym i tylnym, ponieważ proces BEOL został zakończony podczas osadzania, wymagana jest metoda niskotemperaturowa, aby zapewnić kompatybilność z materiałami BEOL.
W tych warunkach temperatura osadzania powinna być ograniczona do 450°, włączając zastosowanie PECVD do osadzania SiO2 lub SiNx jako warstwy izolacyjnej.
Inną powszechną metodą jest zastosowanie osadzania warstwy atomowej (ALD) w celu osadzenia Al2O3 w celu uzyskania gęstszej warstwy izolacyjnej.
3. Proces napełniania metalem
Proces napełniania TSV realizowany jest bezpośrednio po procesie osadzania wykładziny, co jest kolejną kluczową technologią decydującą o jakości TSV.
Materiały, które można wypełnić, obejmują domieszkowany polikrzem, wolfram, nanorurki węglowe itp., w zależności od zastosowanego procesu, ale nadal głównym nurtem jest miedź galwaniczna, ponieważ proces jest zaawansowany, a przewodność elektryczna i cieplna jest stosunkowo wysoka.
Zgodnie z różnicą w rozkładzie szybkości galwanizacji w otworze przelotowym, można ją głównie podzielić na metody galwanizacji podkonformalnej, konforemnej, superkonformalnej i oddolnej, jak pokazano na rysunku.
Galwanizację subkonformalną stosowano głównie na wczesnym etapie badań nad TSV. Jak pokazano na rysunku (a), jony Cu dostarczone w wyniku elektrolizy są skoncentrowane na górze, podczas gdy na dole są niewystarczająco uzupełnione, co powoduje, że szybkość galwanizacji na górze otworu przelotowego jest większa niż poniżej góry. Dlatego górna część otworu przelotowego zostanie zamknięta z wyprzedzeniem, zanim zostanie całkowicie wypełniona, a wewnątrz powstanie duża pustka.
Schemat i zdjęcie metody galwanizacji konforemnej pokazano na rysunku (b). Zapewniając równomierne uzupełnienie jonów Cu, szybkość galwanizacji w każdym miejscu otworu przelotowego jest w zasadzie taka sama, więc wewnątrz pozostanie tylko szew, a objętość pustych przestrzeni jest znacznie mniejsza niż w przypadku metody galwanicznej podkonformalnej, więc jest powszechnie stosowany.
Aby dodatkowo osiągnąć efekt wypełnienia pozbawiony pustych przestrzeni, zaproponowano superkonformalną metodę galwanizacji w celu optymalizacji metody galwanizacji konforemnej. Jak pokazano na rysunku (c), kontrolując dopływ jonów Cu, stopień napełniania na dole jest nieco wyższy niż w innych pozycjach, optymalizując w ten sposób stopniowy gradient szybkości napełniania od dołu do góry, aby całkowicie wyeliminować pozostawiony szew metodą galwanizacji konforemnej, aby uzyskać całkowicie pozbawione pustych przestrzeni wypełnienie metalową miedzią.
Metodę galwanizacji oddolnej można uznać za szczególny przypadek metody superkonformalnej. W tym przypadku szybkość galwanizacji z wyjątkiem dna jest stłumiona do zera i jedynie galwanizacja jest stopniowo przeprowadzana od dołu do góry. Oprócz zalet metody galwanizacji konformalnej, polegającej na braku pustych przestrzeni, metoda ta może również skutecznie skrócić całkowity czas galwanizacji, dlatego była szeroko badana w ostatnich latach.
4. Technologia procesowa RDL
Proces RDL jest niezbędną technologią podstawową w procesie pakowania trójwymiarowego. Dzięki temu procesowi można wytwarzać metalowe połączenia po obu stronach podłoża, aby osiągnąć cel redystrybucji portów lub wzajemnych połączeń między pakietami. Dlatego proces RDL jest szeroko stosowany w systemach pakowania typu fan-in-fan-out lub 2,5D/3D.
W procesie budowania trójwymiarowych urządzeń proces RDL jest zwykle używany do łączenia TSV w celu realizacji różnorodnych trójwymiarowych struktur urządzeń.
Obecnie istnieją dwa główne procesy RDL głównego nurtu. Pierwsza oparta jest na polimerach światłoczułych i połączona z procesami galwanizacji i trawienia miedzią; drugi realizowany jest przy użyciu procesu Cu Damascus w połączeniu z PECVD i procesem polerowania chemiczno-mechanicznego (CMP).
Poniżej zostaną przedstawione odpowiednio główne ścieżki procesowe tych dwóch RDL.
Proces RDL oparty na polimerze światłoczułym przedstawiono na powyższym rysunku.
Najpierw na powierzchnię płytki nanosi się warstwę kleju PI lub BCB metodą obrotową, a po wygrzaniu i utwardzeniu stosuje się proces fotolitografii w celu otwarcia otworów w żądanym miejscu, a następnie przeprowadza się trawienie. Następnie, po usunięciu fotomaski, Ti i Cu napyla się na płytkę w procesie fizycznego osadzania z fazy gazowej (PVD), odpowiednio jako warstwę barierową i warstwę początkową. Następnie na odsłoniętej warstwie Ti/Cu wytwarzana jest pierwsza warstwa RDL, łącząc procesy fotolitografii i galwanizacji Cu, a następnie usuwa się fotomaskę i wytrawia nadmiar Ti i Cu. Powtórz powyższe kroki, aby utworzyć wielowarstwową strukturę RDL. Metoda ta jest obecnie coraz szerzej stosowana w przemyśle.
Inna metoda wytwarzania RDL opiera się głównie na procesie Cu Damascus, który łączy procesy PECVD i CMP.
Różnica między tą metodą a procesem RDL opartym na światłoczułym polimerze polega na tym, że w pierwszym etapie wytwarzania każdej warstwy stosuje się PECVD do osadzania SiO2 lub Si3N4 jako warstwy izolacyjnej, a następnie na warstwie izolacyjnej tworzy się okno metodą fotolitografii i reaktywne trawienie jonowe, warstwa barierowa/zarodkowa Ti/Cu i miedź przewodząca są odpowiednio napylane metodą napylania, a następnie warstwa przewodząca jest rozcieńczana do wymaganej grubości w procesie CMP, czyli warstwa tworzy się warstwa RDL lub warstwa przelotowa.
Poniższy rysunek przedstawia schemat i zdjęcie przekroju wielowarstwowego RDL zbudowanego w oparciu o proces Cu Damascus. Można zaobserwować, że TSV jest najpierw łączony z warstwą z otworami przelotowymi V01, a następnie układany w stosy od dołu do góry w kolejności RDL1, warstwy z otworami przelotowymi V12 i RDL2.
Każda warstwa RDL lub warstwa przelotowa jest wytwarzana sekwencyjnie zgodnie z powyższą metodą.Ponieważ proces RDL wymaga zastosowania procesu CMP, koszt jego wytworzenia jest wyższy niż procesu RDL opartego na polimerze światłoczułym, dlatego jego zastosowanie jest stosunkowo niewielkie.
5. Technologia procesu IPD
W przypadku produkcji urządzeń trójwymiarowych, oprócz bezpośredniej integracji na chipie z MMIC, proces IPD zapewnia inną, bardziej elastyczną ścieżkę techniczną.
Zintegrowane urządzenia pasywne, znane również jako proces IPD, integrują dowolną kombinację urządzeń pasywnych, w tym cewki indukcyjne na chipie, kondensatory, rezystory, konwertery balunów itp. na oddzielnym podłożu, tworząc bibliotekę urządzeń pasywnych w postaci płytki transferowej, która może można elastycznie nazywać zgodnie z wymaganiami projektowymi.
Ponieważ w procesie IPD urządzenia pasywne są produkowane i integrowane bezpośrednio na płycie transferowej, przebieg procesu jest prostszy i tańszy niż integracja układów scalonych na chipie, a także może być masowo produkowany z wyprzedzeniem jako biblioteka urządzeń pasywnych.
W przypadku trójwymiarowej produkcji urządzeń pasywnych TSV, IPD może skutecznie zrekompensować koszty związane z trójwymiarowymi procesami pakowania, w tym TSV i RDL.
Oprócz korzyści kosztowych, kolejną zaletą IPD jest jego wysoka elastyczność. Jedna z elastyczności IPD znajduje odzwierciedlenie w różnorodnych metodach integracji, jak pokazano na poniższym rysunku. Oprócz dwóch podstawowych metod bezpośredniego łączenia IPD z podłożem opakowania poprzez proces flip-chip pokazany na rysunku (a) lub proces łączenia pokazany na rysunku (b), na jednej warstwie można zintegrować kolejną warstwę IPD IPD, jak pokazano na rysunkach (c)-(e), aby uzyskać szerszy zakres kombinacji urządzeń pasywnych.
Jednocześnie, jak pokazano na rysunku (f), IPD może być dalej używany jako płytka adaptera do bezpośredniego zakopania w nim zintegrowanego chipa w celu bezpośredniego zbudowania systemu pakowania o dużej gęstości.
Używając IPD do budowy trójwymiarowych urządzeń pasywnych, można również zastosować proces TSV i proces RDL. Przebieg procesu jest w zasadzie taki sam, jak wspomniana powyżej metoda przetwarzania integracji na chipie i nie będzie powtarzana; różnica polega na tym, że skoro przedmiot integracji zmienia się z chipa na płytkę adaptera, nie ma potrzeby uwzględniania wpływu procesu trójwymiarowego pakowania na obszar aktywny i warstwę łączącą. Prowadzi to dalej do kolejnej kluczowej elastyczności IPD: różnorodne materiały podłoża można elastycznie wybierać zgodnie z wymaganiami projektowymi urządzeń pasywnych.
Materiałami podłoża dostępnymi dla IPD są nie tylko popularne półprzewodnikowe materiały podłoża, takie jak Si i GaN, ale także ceramika Al2O3, ceramika współspalana w niskich/wysokotemperaturach, podłoża szklane itp. Ta cecha skutecznie zwiększa elastyczność projektowania pasywnych urządzenia zintegrowane przez IPD.
Na przykład trójwymiarowa pasywna struktura cewki indukcyjnej zintegrowana przez IPD może wykorzystywać podłoże szklane, aby skutecznie poprawić wydajność cewki indukcyjnej. W przeciwieństwie do koncepcji TSV, otwory przelotowe wykonane w podłożu szklanym nazywane są także przelotkami szklanymi (TGV). Zdjęcie trójwymiarowego wzbudnika wykonanego w procesach IPD i TGV przedstawiono na poniższym rysunku. Ponieważ rezystywność podłoża szklanego jest znacznie wyższa niż w przypadku konwencjonalnych materiałów półprzewodnikowych, takich jak Si, trójwymiarowa cewka indukcyjna TGV ma lepsze właściwości izolacyjne, a tłumienie wtrąceniowe spowodowane pasożytniczym efektem podłoża przy wysokich częstotliwościach jest znacznie mniejsze niż w przypadku konwencjonalny trójwymiarowy induktor TSV.
Z drugiej strony, kondensatory typu metal-izolator-metal (MIM) można również wytwarzać na szklanym podłożu IPD w procesie osadzania cienkowarstwowego i łączyć je z trójwymiarową cewką indukcyjną TGV, tworząc trójwymiarową pasywną strukturę filtra. Dlatego proces IPD ma szeroki potencjał aplikacyjny do opracowywania nowych trójwymiarowych urządzeń pasywnych.
Czas publikacji: 12 listopada 2024 r