Pakkimistehnoloogia on pooljuhtide tööstuse üks olulisemaid protsesse. Pakendi kuju järgi saab selle jagada pistikupesapaketiks, pindpaigalduspaketiks, BGA-paketiks, kiibi suuruse paketiks (CSP), ühe kiibi moodulipaketiks (SCM, trükkplaadi juhtmestiku vahe (PCB)). ja integraallülituse (IC) plaadipadja sobivused), mitme kiibi moodulipakett (MCM, mis suudab integreerida heterogeenseid kiipe), vahvlitaseme pakett (WLP, sealhulgas ventileeritava vahvlitaseme pakett (FOWLP), mikrokiibi pakett pinnale paigaldatavad komponendid (microSMD) jne), kolmemõõtmeline pakett (micro bump interconnect pakett, TSV interconnect pakett jne), süsteemipakett (SIP), kiibisüsteem (SOC).
3D-pakendite vormid jagunevad peamiselt kolme kategooriasse: maetud tüüp (seadme matmine mitmekihilistesse juhtmetesse või põhimikusse maetud), aktiivse substraadi tüüp (räniplaadi integreerimine: esmalt integreerige komponendid ja vahvli põhimik aktiivseks substraadiks seejärel korraldage mitmekihilised ühendusliinid ja pange ülemisele kihile kokku muud kiibid või komponendid) ja virnastatud tüüpi (räniplaadid virnastatud); ränivahvlid, räniplaatidega virnastatud laastud ja laastudega laotud laastud).
3D-ühendusmeetodite hulka kuuluvad juhtmete ühendamine (WB), klappkiip (FC), räni kaudu (TSV), kilejuht jne.
TSV realiseerib kiipide vahel vertikaalse ühenduse. Kuna vertikaalsel ühendusliinil on lühim vahemaa ja suurem tugevus, on lihtsam realiseerida miniaturiseerimist, suurt tihedust, suure jõudlusega ja multifunktsionaalset heterogeense struktuuriga pakendit. Samal ajal võib see ühendada ka erinevatest materjalidest kiipe;
praegu on kahte tüüpi mikroelektroonika tootmistehnoloogiaid, mis kasutavad TSV-protsessi: kolmemõõtmeline vooluahela pakend (3D IC integratsioon) ja kolmemõõtmeline räni pakendamine (3D Si integreerimine).
Nende kahe vormi erinevus seisneb selles:
(1) 3D-ahela pakendamine eeldab, et kiipelektroodid tuleb valmistada konarusteks ja konarused on omavahel ühendatud (liimitud, sulatatud, keevitades jne), samas kui 3D-ränipakend on otsene ühendus kiipide vahel (oksiidide ja Cu vaheline sidumine). - Cu sidumine).
(2) 3D-lülituse integreerimise tehnoloogiat saab saavutada vahvlite (3D-ahela pakkimine, 3D-ränipakend) ühendamise teel, samas kui kiibi ja kiibi vahel ühendamist saab saavutada ainult 3D-ahela pakendamise abil.
(3) 3D-ahela pakkimisprotsessiga integreeritud kiipide vahel on lüngad ning süsteemi soojusjuhtivuse ja soojuspaisumisteguri reguleerimiseks tuleb täita dielektrilised materjalid, et tagada süsteemi mehaaniliste ja elektriliste omaduste stabiilsus; 3D-räni pakkimisprotsessiga integreeritud kiipide vahel ei ole lünki ning kiibi energiatarve, maht ja kaal on väikesed ning elektriline jõudlus on suurepärane.
TSV-protsess võib konstrueerida vertikaalse signaalitee läbi substraadi ja ühendada substraadi üla- ja alaosas oleva RDL-i, et moodustada kolmemõõtmeline juhi tee. Seetõttu on TSV-protsess üks kolmemõõtmelise passiivse seadme struktuuri konstrueerimise olulisi nurgakive.
Vastavalt järjestusele rea esiotsa (FEOL) ja rea tagumise otsa (BEOL) vahel saab TSV-protsessi jagada kolmeks peavoolu tootmisprotsessiks, nimelt esimese (ViaFirst), keskmise (Via Middle) kaudu ja viimase (Via Last) protsessi kaudu, nagu on näidatud joonisel.
1. Söövitusprotsessi kaudu
Söövitusprotsess on TSV struktuuri valmistamise võti. Sobiva söövitusprotsessi valimine võib tõhusalt parandada TSV mehaanilist tugevust ja elektrilisi omadusi ning olla veelgi seotud TSV kolmemõõtmeliste seadmete üldise töökindlusega.
Praegu on söövitusprotsesside kaudu neli peamist TSV-d: sügavreaktiivne ioonsöövitus (DRIE), märgsöövitamine, fotoabiga elektrokeemiline söövitamine (PAECE) ja laserpuurimine.
(1) Sügavreaktiivne ioonide söövitamine (DRIE)
Sügavreaktiivne ioonsöövitus, tuntud ka kui DRIE protsess, on kõige sagedamini kasutatav TSV söövitusprotsess, mida kasutatakse peamiselt TSV realiseerimiseks kõrge kuvasuhtega struktuuride kaudu. Traditsioonilised plasmasöövitusprotsessid võivad üldiselt saavutada vaid mitme mikroni suuruse söövitussügavuse, madala söövituskiirusega ja söövitusmaski selektiivsuse puudumisega. Bosch on selle põhjal teinud vastavaid protsessitäiustusi. Kasutades SF6 reaktiivgaasina ja vabastades söövitusprotsessi käigus külgseinte passivatsioonikaitsena gaasi C4F8, sobib täiustatud DRIE protsess suure kuvasuhtega läbiviikude söövitamiseks. Seetõttu nimetatakse seda selle leiutaja järgi ka Boschi protsessiks.
Alloleval joonisel on foto suurest kuvasuhtest DRIE protsessi söövitamise teel.
Kuigi DRIE protsessi kasutatakse TSV protsessis laialdaselt selle hea juhitavuse tõttu, on selle miinuseks see, et külgseina tasapinnalisus on halb ja tekivad kammkarbikujulised kortsud. See defekt on olulisem kõrge kuvasuhtega läbiviikude söövitamisel.
(2) Märgsöövitus
Märgsöövitus kasutab läbi aukude söövitamiseks maski ja keemilise söövituse kombinatsiooni. Kõige sagedamini kasutatav söövituslahus on KOH, mis võib söövitada ränisubstraadile maskiga kaitsmata positsioonid, moodustades seeläbi soovitud läbiva struktuuri. Märgsöövitamine on varaseim välja töötatud läbiva auguga söövitamise protsess. Kuna selle protsessi etapid ja vajalikud seadmed on suhteliselt lihtsad, sobib see madalate kuludega TSV masstootmiseks. Kuid selle keemiline söövitusmehhanism määrab, et selle meetodi abil moodustatud läbivat auku mõjutab räniplaadi kristallide orientatsioon, muutes söövitatud läbiva augu mittevertikaalseks, kuid näitab selget laia ülemise ja kitsa põhja nähtust. See defekt piirab märgsöövitamise kasutamist TSV tootmisel.
(3) Fotoga elektrokeemiline söövitus (PAECE)
Fotoabiga elektrokeemilise söövitamise (PAECE) põhiprintsiip on ultraviolettvalguse kasutamine elektron-augu paaride tekke kiirendamiseks, kiirendades seeläbi elektrokeemilist söövitusprotsessi. Võrreldes laialdaselt kasutatava DRIE protsessiga on PAECE protsess sobivam ülisuurte, suuremate kui 100:1 läbivate avadega struktuuride söövitamiseks, kuid selle puuduseks on see, et söövitussügavuse juhitavus on nõrgem kui DRIE ja selle tehnoloogia võib nõuab täiendavaid uuringuid ja protsessi täiustamist.
(4) Laserpuurimine
Erineb ülaltoodud kolmest meetodist. Laserpuurimise meetod on puhtalt füüsiline meetod. See kasutab peamiselt suure energiaga laserkiirgust, et sulatada ja aurustada substraadi materjal kindlaksmääratud piirkonnas, et füüsiliselt realiseerida TSV läbiva ava konstruktsioon.
Laserpuurimisel moodustatud läbiv auk on suure kuvasuhtega ja külgsein on põhimõtteliselt vertikaalne. Kuna aga laserpuurimisel kasutatakse läbiva augu moodustamiseks lokaalset kuumutamist, mõjutavad termilised kahjustused TSV augu seina negatiivselt ja see vähendab töökindlust.
2. Voodrikihi sadestamise protsess
Teine võtmetehnoloogia TSV tootmiseks on voodrikihi sadestamise protsess.
Voodrikihi sadestamise protsess viiakse läbi pärast läbiva augu söövitamist. Sadestunud vooderduskiht on tavaliselt oksiid, näiteks SiO2. Vooderdise kiht asub TSV sisemise juhi ja põhimiku vahel ning mängib peamiselt alalisvoolu lekke isoleerivat rolli. Lisaks oksiidi sadestamisele on järgmises protsessis juhtme täitmiseks vaja ka tõkke- ja külvikihte.
Valmistatud voodrikiht peab vastama kahele järgmisele põhinõudele:
(1) isolatsioonikihi läbilöögipinge peaks vastama TSV tegelikele töönõuetele;
(2) ladestunud kihid on väga ühtlased ja üksteisega hästi nakkuvad.
Järgmisel joonisel on foto plasma tugevdatud keemilise aursadestamise (PECVD) abil sadestatud voodrikihist.
Sadestamise protsessi tuleb erinevate TSV tootmisprotsesside jaoks vastavalt kohandada. Eesmise läbiva ava protsessi puhul saab oksiidikihi kvaliteedi parandamiseks kasutada kõrgtemperatuurset sadestamisprotsessi.
Tüüpiline kõrgtemperatuuriline sadestamine võib põhineda tetraetüülortosilikaadil (TEOS), mis on kombineeritud termilise oksüdatsiooniprotsessiga, et moodustada väga ühtlane kõrge kvaliteediga SiO2 isolatsioonikiht. Kuna BEOL-i protsess on sadestamise ajal lõpule viidud, on keskmise läbiva ja tagumise augu puhul vaja kasutada madala temperatuuri meetodit, et tagada ühilduvus BEOL-i materjalidega.
Nendel tingimustel peaks sadestamise temperatuur olema piiratud 450°-ga, sealhulgas PECVD kasutamine SiO2 või SiNx sadestamiseks isolatsioonikihina.
Teine levinud meetod on aatomkihtsadestamise (ALD) kasutamine Al2O3 sadestamiseks, et saada tihedam isoleerkiht.
3. Metalli täitmise protsess
TSV täitmisprotsess viiakse läbi kohe pärast voodri sadestamise protsessi, mis on veel üks võtmetehnoloogia, mis määrab TSV kvaliteedi.
Materjalidest, mida saab täita, on sõltuvalt kasutatavast protsessist legeeritud polüräni, volfram, süsiniknanotorud jne, kuid kõige levinum on siiski galvaniseeritud vask, sest selle protsess on küps ning selle elektri- ja soojusjuhtivus on suhteliselt kõrge.
Selle galvaniseerimiskiiruse jaotumise erinevuse järgi läbiva avaus saab selle peamiselt jagada subkonformseks, konformseks, superkonformseks ja alt-üles galvaniseerimiseks, nagu on näidatud joonisel.
Subkonformset galvaniseerimist kasutati peamiselt TSV uurimise varases staadiumis. Nagu on näidatud joonisel (a), on elektrolüüsiga saadud Cu-ioonid kontsentreeritud ülaossa, samas kui alumine osa on ebapiisavalt täiendatud, mistõttu läbiva ava ülaosas on galvaniseerimise kiirus suurem kui ülaosa all. Seetõttu suletakse läbiva augu ülemine osa enne selle täielikku täitmist ja selle sisse tekib suur tühimik.
Konformse galvaniseerimise meetodi skemaatiline diagramm ja foto on näidatud joonisel (b). Cu-ioonide ühtlase lisamise tagamisel on galvaniseerimise kiirus läbiva augu igas asendis põhimõtteliselt sama, nii et sisse jääb ainult õmblus ja tühimik on palju väiksem kui subkonformse galvaniseerimise meetodil, nii et seda kasutatakse laialdaselt.
Tühjadeta täiteefekti edasiseks saavutamiseks pakuti konformse galvaniseerimise meetodi optimeerimiseks välja superkonformse galvaniseerimise meetod. Nagu on näidatud joonisel (c), on Cu-ioonide tarnimist reguleerides täitmiskiirus põhjas veidi kõrgem kui teistes asendites, optimeerides seeläbi täitemäära astmelist gradienti alt üles, et täielikult kõrvaldada vasakpoolne õmblus. konformse galvaniseerimise meetodil, et saavutada täiesti tühimikuvaba metallist vasktäide.
Alt-üles galvaniseerimise meetodit võib pidada ülikonformse meetodi erijuhuks. Sel juhul vähendatakse galvaniseerimise kiirust, välja arvatud põhi, nullini ja ainult galvaniseerimine viiakse läbi järk-järgult alt üles. Lisaks konformse galvaniseerimise meetodi tühimikuvabale eelisele võib see meetod tõhusalt vähendada ka üldist galvaniseerimisaega, mistõttu on seda viimastel aastatel laialdaselt uuritud.
4. RDL protsessi tehnoloogia
RDL-protsess on kolmemõõtmelises pakkimisprotsessis asendamatu põhitehnoloogia. Selle protsessi abil saab aluspinna mõlemale küljele valmistada metallist ühendusi, et saavutada pordi ümberjaotamise või pakenditevahelise ühendamise eesmärk. Seetõttu kasutatakse RDL-protsessi laialdaselt ventilaator-in-fan-out või 2,5D/3D-pakendisüsteemides.
Kolmemõõtmeliste seadmete ehitamise protsessis kasutatakse RDL-protsessi tavaliselt TSV ühendamiseks, et realiseerida mitmesuguseid kolmemõõtmelisi seadme struktuure.
Praegu on kaks peamist RDL-i protsessi. Esimene põhineb valgustundlikel polümeeridel ja kombineeritakse vase galvaniseerimise ja söövitamise protsessidega; teine on rakendatud Cu Damaskuse protsessiga koos PECVD ja keemilise mehaanilise poleerimise (CMP) protsessiga.
Järgnevalt tutvustatakse vastavalt nende kahe RDL-i peamisi protsessiteid.
Valgustundlikul polümeeril põhinev RDL-protsess on näidatud ülaltoodud joonisel.
Kõigepealt kaetakse vahvli pinnale pöörlemise teel PI- või BCB-liimi kiht ning pärast kuumutamist ja kõvenemist avatakse fotolitograafiaga soovitud asendis augud ning seejärel tehakse söövitus. Järgmisena, pärast fotoresisti eemaldamist, pihustatakse Ti ja Cu vahvlile läbi füüsilise aurustamise-sadestamise protsessi (PVD) vastavalt tõkkekihina ja seemnekihina. Järgmisena valmistatakse esimene RDL kiht eksponeeritud Ti/Cu kihil, kombineerides fotolitograafia ja galvaniseerimise Cu protsessid, seejärel eemaldatakse fotoresist ning liigne Ti ja Cu söövitatakse ära. Mitmekihilise RDL-struktuuri moodustamiseks korrake ülaltoodud samme. Seda meetodit kasutatakse praegu tööstuses laiemalt.
Teine RDL-i valmistamise meetod põhineb peamiselt Cu Damaskuse protsessil, mis ühendab PECVD ja CMP protsessid.
Selle meetodi erinevus valgustundlikul polümeeril põhinevast RDL-protsessist seisneb selles, et iga kihi valmistamise esimeses etapis kasutatakse PECVD-d SiO2 või Si3N4 sadestamiseks isolatsioonikihina ning seejärel moodustatakse isolatsioonikihile fotolitograafia abil aken. reaktiivne ioonsöövitus ja Ti/Cu barjäär/seemnekiht ja juhtvask pihustatakse vastavalt ning seejärel lahjendatakse juhi kiht CMP abil vajaliku paksuseni. protsessi, st moodustub RDL-i või läbiva augu kiht.
Järgnev joonis on Cu Damaskuse protsessi põhjal konstrueeritud mitmekihilise RDL ristlõike skemaatiline diagramm ja foto. Võib täheldada, et TSV ühendatakse esmalt läbiva augu kihiga V01 ja seejärel virnastatakse alt üles järjekorras RDL1, läbiva augu kiht V12 ja RDL2.
Iga RDL-i või läbiva augu kiht valmistatakse järjestikku vastavalt ülaltoodud meetodile.Kuna RDL-protsess nõuab CMP-protsessi kasutamist, on selle tootmiskulud kõrgemad kui valgustundlikul polümeeril põhineva RDL-protsessi omad, mistõttu on selle kasutamine suhteliselt madal.
5. IPD protsessi tehnoloogia
Kolmemõõtmeliste seadmete tootmiseks pakub IPD protsess lisaks otsesele kiibile integreerimisele MMIC-is veel üht paindlikumat tehnilist teed.
Integreeritud passiivsed seadmed, tuntud ka kui IPD protsess, integreerivad mis tahes passiivsete seadmete kombinatsioonid, sealhulgas kiibil olevad induktiivpoolid, kondensaatorid, takistid, baluunmuundurid jne, eraldi substraadile, moodustades passiivse seadme raamatukogu edastusplaadi kujul, mis suudab helistada paindlikult vastavalt projekteerimisnõuetele.
Kuna IPD protsessis toodetakse passiivseid seadmeid ja integreeritakse need otse edastusplaadile, on selle protsessi voog lihtsam ja odavam kui IC-de integreerimine kiibile ning seda saab eelnevalt masstootma passiivse seadme raamatukoguna.
TSV kolmemõõtmeliste passiivsete seadmete tootmisel saab IPD tõhusalt kompenseerida kolmemõõtmeliste pakkimisprotsesside, sealhulgas TSV ja RDL kulukoormust.
Lisaks kulueelistele on IPD teine eelis selle suur paindlikkus. Üks IPD paindlikkus kajastub mitmesugustes integreerimismeetodites, nagu on näidatud alloleval joonisel. Lisaks kahele põhimeetodile IPD otseseks integreerimiseks pakendi põhimikusse flip-chip protsessi kaudu, nagu on näidatud joonisel (a) või sidumisprotsessiga, nagu on näidatud joonisel (b), saab ühele kihile integreerida teise IPD kihi. IPD, nagu on näidatud joonistel (c)-(e), et saavutada laiem valik passiivsete seadmete kombinatsioone.
Samal ajal, nagu on näidatud joonisel (f), saab IPD-d edasi kasutada adapterplaadina, et integreeritud kiip sellele otse maha matta, et luua otse suure tihedusega pakkesüsteem.
Kui kasutate IPD-d kolmemõõtmeliste passiivsete seadmete ehitamiseks, saab kasutada ka TSV-protsessi ja RDL-protsessi. Protsessi voog on põhimõtteliselt sama, mis ülalmainitud kiibil integreerimise töötlemise meetod ja seda ei korrata; Erinevus seisneb selles, et kuna integreerimise objekt muudetakse kiibilt adapterplaadiks, ei ole vaja arvestada kolmemõõtmelise pakkimisprotsessi mõju aktiivsele alale ja ühenduskihile. See toob kaasa veel ühe olulise IPD paindlikkuse: vastavalt passiivsete seadmete projekteerimisnõuetele saab paindlikult valida mitmesuguseid substraatmaterjale.
IPD jaoks saadaolevad substraadimaterjalid ei ole mitte ainult tavalised pooljuhtsubstraadimaterjalid, nagu Si ja GaN, vaid ka Al2O3 keraamika, madalatemperatuuriline/kõrgtemperatuuriline koospõletatud keraamika, klaassubstraadid jne. See funktsioon laiendab tõhusalt passiivse konstruktsiooni paindlikkust. IPD-ga integreeritud seadmed.
Näiteks võib IPD-ga integreeritud kolmemõõtmeline passiivse induktiivpooli struktuur kasutada klaasist substraati, et tõhusalt parandada induktiivpooli jõudlust. Erinevalt TSV kontseptsioonist nimetatakse klaasist aluspinnale tehtud läbivaid auke ka läbivateks klaasist läbiviigudeks (TGV). Foto kolmemõõtmelisest induktiivpoolist, mis on valmistatud IPD ja TGV protsesside põhjal, on näidatud alloleval joonisel. Kuna klaassubstraadi eritakistus on palju suurem kui tavalistel pooljuhtmaterjalidel nagu Si, on TGV kolmemõõtmelisel induktiivpoolil paremad isolatsiooniomadused ja substraadi parasiitefekti põhjustatud sisestuskadu kõrgetel sagedustel on palju väiksem kui pooljuhtmaterjalidel. tavaline TSV kolmemõõtmeline induktiivpool.
Teisest küljest saab metall-isolaator-metall (MIM) kondensaatoreid toota ka klaassubstraadile IPD õhukese kile sadestamise protsessi abil ja ühendada need TGV kolmemõõtmelise induktiivpooliga, et moodustada kolmemõõtmeline passiivfiltri struktuur. Seetõttu on IPD protsessil lai rakenduspotentsiaal uute kolmemõõtmeliste passiivsete seadmete väljatöötamiseks.
Postitusaeg: 12.11.2024