3D-IC 中 硅通孔TSV 的設計與制造

本文要點：

3D 集成電路需要一種方法來連接封裝中垂直堆疊的多個裸片

由此，與制造工藝相匹配的硅通孔（Through-Silicon Vias，TSV）設計應運而生

硅通孔設計有助于實現更先進的封裝能力，可以在封裝的不同部分混用不同的通孔設計

3D 集成電路或2.5D 封裝方法，以及新的處理器和 ASIC，都依賴于以某種方式來連接封裝上相互堆疊的裸片。硅通孔是一種主要的互連技術，用于在 2.5D/3D 封裝中通過中介層、基板、電源和堆疊的裸片間提供電氣連接。這些通孔提供了與 PCB 中相同的互連功能，但設計方法完全不一樣，需要根據它們在制造過程中的不同來設計。

如今，現代集成電路較常使用單一樣式的硅通孔，這是因為用于裸片堆疊互連的沉積工藝較難實現。盡管在實現方面沒有太多的靈活性，但硅通孔使 2.5D 封裝和堆疊式集成電路的規模逐步縮小，在bump 數量增多的情況下，依然可以使bump的中體尺寸變小。在我們為設計選擇硅通孔樣式之前，需要考慮制造工藝以及硅通孔在制造中的困難。

硅通孔設計

3D 集成封裝基于裸片與中介層之間的垂直互連

硅通孔有三種設計樣式，用于連接中介層上堆疊的 3D 裸片，需要根據制造過程中的實現情況來選擇這些堆疊。硅通孔結構一般用于集成了堆疊邏輯和存儲器的 2.5D/3D 集成系統級封裝。由于高帶寬存儲器占用了大量的封裝基板面積，針對這些部分使用硅通孔有諸多好處，可以沿著垂直堆疊的方向提供裸片之間的連接。

在 3D 集成電路中使用

硅通孔可以放置在 3D 集成電路中使用的裸片-裸片/裸片-晶圓工藝中，以定義通過基板和 I/O 的連接。下圖是以三種樣式實現的硅通孔截面示意圖。在這些圖中，通孔提供了一個長的垂直連接，垂直橫跨基板，并可進入多個裸片層。

3D 集成電路中的硅通孔可以采用三種方法進行設計和放置：

硅通孔的先通孔、中通孔和后通孔工藝

先通孔

先制作通孔，然后再將元件或鍵合裸片擺放在中介層上。首先，在通孔中沉積金屬，然后覆蓋結構的頂部。堆疊裸片之間的金屬化連接，用于連接基板層并完成與硅通孔的連接。

中通孔

放置通孔需要在金屬化之前、擺放電路之后進行。在堆疊過程中，通孔結構要達到不同的層，并提供層之間的連接。盲孔、埋孔和通孔版本的硅通孔可以在這個過程中輕松放置。

后通孔

顧名思義，通孔是在堆疊和金屬化之后形成的，也叫做背面硅通孔。在這個過程中，將一個長的通孔結構沿著封裝放置并穿過基板。該過程不影響金屬化，也不需要在晶圓減薄過程中納入顯現 (reveal) 工藝。

用于在硅片上形成這些硅通孔的主要活性離子蝕刻工藝，是使用六氟化硫 (SF6) 和 C4F8 鈍化的 Bosch 蝕刻工藝。雖然非常大的孔可以由蝕刻掩膜定義并通過這種工藝形成，但蝕刻率對孔的長寬比非常敏感。在蝕刻之后，利用銅的電化學沉積來形成種子層，并通過電鍍堆積出孔的結構。

在中介層和晶圓級封裝中使用

硅通孔也可用于中介層，將多個芯片或堆疊的裸片連接成 2.5D 封裝。擺放在中介層上的單個芯片可以是單片集成電路或硅上堆疊裸片，每個都有自己的硅通孔。這些堆疊的元件也可以是細間距 BGA/倒裝芯片封裝中的非標準元件，直接粘合在中介層的金屬焊盤上。然后，中介層利用倒裝芯片 bump 安裝到封裝基板上，如下圖所示：

硅中介層上的 2.5D 集成封裝

中介層中硅通孔的制造工藝與單片或裸片堆疊 3D 集成電路（見上文）的制造工藝基本相同，涉及類似的蝕刻和堆積工藝。這種工藝也可以直接在芯片的晶圓上制造通孔和形成封裝，稱為晶圓級封裝。然后，這些晶圓級封裝可以粘合到異構 3D 集成電路上，或者可以形成 bump，直接安裝到 2.5D 封裝中使用的中介層上。

硅通孔對信號完整性有何影響

按照集成電路的尺寸標準，硅通孔的結構非常大，并且長寬比較高，因此在選擇硅通孔時要格外關注成本，因為這些大型結構需要更長的加工時間。此外，其直徑可以達到幾微米，且可能帶有扇形輪廓，會帶來可靠性問題。然而，盡管制造復雜性有所增加，但考慮到信號和電源完整性，依然利大于弊，包括：

電源損耗更低，因為硅通互連比水平通道要短

沿著互連長度的寄生效應更小

由于寄生電容更少，信號轉換更快

對繼續進行 3D 集成和異構集成來說是十分必要的

如果 VLSI 設計師想為專門的應用開發更先進的元件，就需要在物理布局中設計硅通孔，并運行基本的信號仿真來驗證電氣行為。

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文章來源：Cadence楷登PCB及封裝資源中心

審核編輯 黃宇