Tehnologija pakiranja jedan je od najvažnijih procesa u industriji poluvodiča. Prema obliku paketa, može se podijeliti na paket utičnica, paket za površinsku montažu, BGA paket, paket veličine čipa (CSP), paket modula s jednim čipom (SCM, razmak između žica na štampanoj ploči (PCB) i podudarne pločice sa integrisanim kolom (IC), paket modula sa više čipova (MCM, koji može integrisati heterogene čipove), paket na nivou pločice (WLP, uključujući ventilator wafer paket (FOWLP), komponente za mikro površinsku montažu (microSMD), itd.), trodimenzionalni paket (mikro bump interkonekt paket, TSV interkonekt paket, itd.), sistemski paket (SIP), sistem čipova (SOC).
Oblici 3D pakovanja uglavnom se dijele u tri kategorije: ukopani tip (ukopavanje uređaja u višeslojno ožičenje ili ukopan u podlogu), aktivni tip podloge (integracija silikonske pločice: prvo integrirajte komponente i podlogu vafla da formirate aktivni supstrat zatim rasporedite višeslojne međuslojne linije i sastavite druge čipove ili komponente na gornji sloj) i naslaganog tipa (silicijum); oblatne naslagane silikonskim pločicama, čips naslagani silikonskim vaflima i čips naslagani čipovima).
Metode 3D međusobnog povezivanja uključuju spajanje žice (WB), flip chip (FC), preko silikona (TSV), filmski provodnik, itd.
TSV ostvaruje vertikalnu interkonekciju između čipova. Budući da vertikalna interkonekcijska linija ima najkraću udaljenost i veću čvrstoću, lakše je realizirati minijaturizaciju, veliku gustoću, visoke performanse i multifunkcionalno pakovanje heterogene strukture. Istovremeno, može i međusobno povezati čipove od različitih materijala;
trenutno postoje dvije vrste tehnologija proizvodnje mikroelektronike koje koriste TSV proces: trodimenzionalno pakovanje kola (3D IC integracija) i trodimenzionalno silikonsko pakovanje (3D Si integracija).
Razlika između ova dva oblika je u tome što:
(1) Pakovanje 3D kola zahtijeva da elektrode čipa budu pripremljene u izbočine, a izbočine su međusobno povezane (spojene spajanjem, fuzijom, zavarivanjem, itd.), dok je 3D silikonsko pakovanje direktna međusobna veza između čipova (veza između oksida i Cu -Cu vezivanje).
(2) Tehnologija integracije 3D kola može se postići spajanjem između pločica (3D pakiranje kola, 3D silikonsko pakovanje), dok se spajanje čipa na čip i spajanje čipa na pločicu može postići samo pakiranjem 3D kola.
(3) Postoje praznine između čipova integrisanih procesom pakovanja 3D kola, a dielektrični materijali moraju biti popunjeni da bi se prilagodila toplotna provodljivost i koeficijent toplotnog širenja sistema kako bi se osigurala stabilnost mehaničkih i električnih svojstava sistema; ne postoje praznine između čipova integrisanih 3D procesom silikonskog pakovanja, a potrošnja energije, zapremina i težina čipa su mali, a električne performanse su odlične.
TSV proces može konstruirati vertikalnu putanju signala kroz podlogu i povezati RDL na vrhu i dnu supstrata kako bi se formirala trodimenzionalna putanja provodnika. Stoga je TSV proces jedan od važnih kamena temeljaca za izgradnju trodimenzionalne strukture pasivnog uređaja.
Prema redoslijedu između prednjeg kraja linije (FEOL) i zadnjeg kraja linije (BEOL), TSV proces se može podijeliti na tri glavna proizvodna procesa, naime, preko prvog (ViaFirst), preko srednjeg (Via Middle) i preko zadnjeg (Via Last) procesa, kao što je prikazano na slici.
1. Procesom graviranja
Proces graviranja je ključ za proizvodnju TSV strukture. Odabir odgovarajućeg procesa jetkanja može efikasno poboljšati mehaničku čvrstoću i električna svojstva TSV-a, a dalje se odnosi na ukupnu pouzdanost TSV trodimenzionalnih uređaja.
Trenutno postoje četiri glavna glavna struja TSV putem procesa jetkanja: duboko reaktivno ionsko jetkanje (DRIE), mokro jetkanje, foto-potpomognuto elektrohemijsko jetkanje (PAECE) i lasersko bušenje.
(1) Duboko reaktivno ionsko jetkanje (DRIE)
Duboko reaktivno ionsko jetkanje, poznato i kao DRIE proces, je najčešće korišteni proces TSV jetkanja, koji se uglavnom koristi za realizaciju TSV preko struktura sa visokim odnosom širine i visine. Tradicionalni procesi jetkanja plazmom generalno mogu postići samo dubinu jetkanja od nekoliko mikrona, uz nisku stopu jetkanja i nedostatak selektivnosti maske za jetkanje. Bosch je napravio odgovarajuća poboljšanja procesa na ovoj osnovi. Korišćenjem SF6 kao reaktivnog gasa i otpuštanjem gasa C4F8 tokom procesa jetkanja kao pasivne zaštite za bočne zidove, poboljšani DRIE proces je pogodan za jetkanje otvora sa visokim odnosom širine i visine. Stoga se naziva i Bosch proces po njegovom pronalazaču.
Slika ispod je fotografija visokog omjera širine i visine koji je formiran graviranjem DRIE procesom.
Iako se DRIE proces naširoko koristi u TSV procesu zbog svoje dobre kontrole, njegov nedostatak je što je bočna plosnatost loša i stvaraju se defekti bora u obliku kapice. Ovaj nedostatak je značajniji kada se graviraju posrednici visokog omjera širine i visine.
(2) Mokro graviranje
Mokro jetkanje koristi kombinaciju maske i hemijskog jetkanja za urezivanje kroz rupe. Najčešće korišteno rješenje za jetkanje je KOH, koje može urezati pozicije na silikonskom supstratu koje nisu zaštićene maskom, formirajući tako željenu strukturu kroz rupe. Mokro jetkanje je najraniji razvijen proces jetkanja kroz rupe. Budući da su njegovi procesni koraci i potrebna oprema relativno jednostavni, pogodan je za masovnu proizvodnju TSV-a po niskoj cijeni. Međutim, njegov mehanizam kemijskog jetkanja određuje da će na otvor formiran ovom metodom utjecati kristalna orijentacija silikonske pločice, čineći ugraviranu prolaznu rupu nevertikalnom, ali pokazujući jasan fenomen širokog vrha i uskog dna. Ovaj nedostatak ograničava primjenu mokrog jetkanja u proizvodnji TSV-a.
(3) Foto-potpomognuto elektrohemijsko jetkanje (PAECE)
Osnovni princip foto-potpomognutog elektrohemijskog jetkanja (PAECE) je korištenje ultraljubičastog svjetla za ubrzavanje stvaranja parova elektron-rupa, čime se ubrzava proces elektrohemijskog jetkanja. U poređenju sa široko korištenim DRIE postupkom, PAECE proces je pogodniji za graviranje ultra-velikih struktura kroz rupu većeg od 100:1, ali njegov nedostatak je što je kontrola dubine jetkanja slabija od DRIE, a njegova tehnologija može zahtijevaju daljnja istraživanja i poboljšanje procesa.
(4) Lasersko bušenje
Razlikuje se od gornje tri metode. Metoda laserskog bušenja je čisto fizička metoda. Uglavnom koristi visokoenergetsko lasersko zračenje za topljenje i isparavanje materijala supstrata u određenom području kako bi se fizički ostvarila konstrukcija TSV-a kroz rupu.
Protočna rupa formirana laserskim bušenjem ima visok omjer širine i visine, a bočna stijenka je u osnovi okomita. Međutim, budući da lasersko bušenje zapravo koristi lokalno grijanje za formiranje prolaznog otvora, na zid rupe TSV-a će negativno utjecati toplinska oštećenja i smanjiti pouzdanost.
2. Proces nanošenja sloja sloja
Još jedna ključna tehnologija za proizvodnju TSV-a je proces nanošenja sloja obloge.
Proces nanošenja sloja obloge se izvodi nakon što je urezana rupa. Taloženi sloj obloge je općenito oksid kao što je SiO2. Sloj obloge se nalazi između unutrašnjeg vodiča TSV-a i podloge, i uglavnom igra ulogu izolacije curenja istosmjerne struje. Osim taloženja oksida, za punjenje provodnika u sljedećem procesu potrebni su i slojevi barijere i sjemena.
Proizvedeni sloj obloge mora ispunjavati sljedeća dva osnovna zahtjeva:
(1) probojni napon izolacionog sloja treba da zadovolji stvarne radne zahtjeve TSV-a;
(2) naneseni slojevi su visoko konzistentni i dobro prianjaju jedan na drugi.
Sljedeća slika prikazuje fotografiju sloja obloge deponiranog plazmom poboljšanim hemijskim taloženjem pare (PECVD).
Proces taloženja treba u skladu s tim prilagoditi za različite proizvodne procese TSV-a. Za prednji proces kroz rupu, proces taloženja na visokim temperaturama može se koristiti za poboljšanje kvaliteta oksidnog sloja.
Tipično visokotemperaturno taloženje može se temeljiti na tetraetil ortosilikatu (TEOS) u kombinaciji s procesom termalne oksidacije kako bi se formirao visoko konzistentan visokokvalitetni SiO2 izolacijski sloj. Za proces srednjeg i stražnjeg prolaza kroz rupu, budući da je BEOL proces završen tokom taloženja, potrebna je niskotemperaturna metoda kako bi se osigurala kompatibilnost sa BEOL materijalima.
Pod ovim uslovom, temperatura taloženja treba da bude ograničena na 450°, uključujući upotrebu PECVD za deponovanje SiO2 ili SiNx kao izolacionog sloja.
Druga uobičajena metoda je korištenje atomskog slojnog taloženja (ALD) za taloženje Al2O3 kako bi se dobio gušći izolacijski sloj.
3. Proces punjenja metalom
Proces punjenja TSV-a se izvodi odmah nakon procesa nanošenja sloja, što je još jedna ključna tehnologija koja određuje kvalitet TSV-a.
Materijali koji se mogu puniti uključuju dopirani polisilicij, volfram, ugljične nanocijevi, itd. u zavisnosti od procesa koji se koristi, ali je još uvijek galvanizovani bakar, jer je njegov proces zreo i njegova električna i toplotna provodljivost su relativno visoke.
Prema razlici u distribuciji brzine galvanizacije u prolaznoj rupi, može se uglavnom podijeliti na subkonformnu, konformnu, superkonformnu i metode galvanizacije odozdo prema gore, kao što je prikazano na slici.
Subkonformna galvanizacija se uglavnom koristila u ranoj fazi TSV istraživanja. Kao što je prikazano na slici (a), Cu ioni dobijeni elektrolizom koncentrirani su na vrhu, dok je dno nedovoljno nadopunjeno, što uzrokuje da je stopa galvanizacije na vrhu prolazne rupe veća od one ispod vrha. Stoga će se gornji dio otvora unaprijed zatvoriti prije nego što se potpuno popuni, a unutra će se formirati velika praznina.
Šematski dijagram i fotografija metode konformne galvanizacije prikazani su na slici (b). Osiguravanjem ujednačenog dodavanja Cu jona, brzina galvanizacije na svakoj poziciji u prolaznom otvoru je u osnovi ista, tako da će unutra ostati samo šav, a zapremina praznine je mnogo manja od one kod subkonformne metode galvanizacije, tako da široko se koristi.
Kako bi se dodatno postigao učinak punjenja bez praznina, predložena je superkonformna metoda galvanizacije kako bi se optimizirala metoda konformne galvanizacije. Kao što je prikazano na slici (c), kontrolom dovoda Cu jona, brzina punjenja na dnu je nešto veća od one na drugim pozicijama, čime se optimizira stepen gradijenta brzine punjenja odozdo prema gore kako bi se potpuno eliminirao šav lijevo konformnom metodom galvanizacije, kako bi se postiglo potpuno bez šupljina metalno bakreno punjenje.
Metoda galvanizacije odozdo prema gore može se smatrati posebnim slučajem superkonformne metode. U ovom slučaju, brzina galvanizacije osim dna je potisnuta na nulu, a samo se galvanizacija postupno izvodi odozdo prema vrhu. Pored prednosti konformne metode galvanizacije bez šupljina, ova metoda također može učinkovito smanjiti ukupno vrijeme galvanizacije, tako da je široko proučavana posljednjih godina.
4. RDL procesna tehnologija
RDL proces je nezamjenjiva osnovna tehnologija u procesu trodimenzionalnog pakiranja. Kroz ovaj proces, metalne interkonekcije mogu se proizvesti na obje strane podloge kako bi se postigla svrha preraspodjele portova ili međusobne veze između paketa. Stoga se RDL proces naširoko koristi u sistemima ventilatora u ventilator ili 2.5D/3D ambalaže.
U procesu izgradnje trodimenzionalnih uređaja, RDL proces se obično koristi za međusobno povezivanje TSV-a za realizaciju različitih trodimenzionalnih struktura uređaja.
Trenutno postoje dva glavna RDL procesa. Prvi se zasniva na fotosenzitivnim polimerima i kombinovan je sa procesima galvanizacije i jetkanja bakra; drugi je implementiran korištenjem Cu Damascus procesa u kombinaciji s PECVD i postupkom kemijskog mehaničkog poliranja (CMP).
Sljedeće će predstaviti glavne procesne putanje ova dva RDL-a.
RDL proces baziran na fotoosjetljivom polimeru prikazan je na gornjoj slici.
Prvo se rotacijom na površinu vafla nanese sloj PI ili BCB ljepila, a nakon zagrijavanja i stvrdnjavanja, postupkom fotolitografije otvaraju se rupe na željenoj poziciji, a zatim se vrši jetkanje. Zatim, nakon uklanjanja fotorezista, Ti i Cu se raspršuju na pločicu kroz proces fizičkog taloženja parom (PVD) kao sloj barijere i sloj sjemena, respektivno. Zatim, prvi sloj RDL-a se proizvodi na izloženom Ti/Cu sloju kombinovanjem fotolitografije i procesa galvanizacije Cu, a zatim se fotorezist uklanja i višak Ti i Cu se urezuje. Ponovite gore navedene korake da formirate višeslojnu RDL strukturu. Ova metoda se trenutno sve više koristi u industriji.
Druga metoda za proizvodnju RDL uglavnom se zasniva na procesu Cu Damascus, koji kombinuje PECVD i CMP procese.
Razlika između ove metode i RDL procesa zasnovanog na fotoosjetljivom polimeru je u tome što se u prvom koraku izrade svakog sloja PECVD koristi za taloženje SiO2 ili Si3N4 kao izolacijskog sloja, a zatim se fotolitografijom formira prozor na izolacijskom sloju i reaktivno ionsko jetkanje, i Ti/Cu barijera/sloj sjemena i provodnik bakra se prskaju respektivno, a zatim se sloj provodnika razrjeđuje do potrebna debljina CMP postupkom, odnosno formira se sloj RDL ili sloj kroz rupe.
Sljedeća slika je šematski dijagram i fotografija poprečnog presjeka višeslojnog RDL-a konstruiranog na osnovu Cu Damascus procesa. Može se primijetiti da je TSV prvo spojen na sloj kroz rupu V01, a zatim naslagan odozdo prema gore redoslijedom RDL1, sloj kroz rupu V12 i RDL2.
Svaki sloj RDL-a ili sloja kroz rupu se proizvodi u nizu prema gore navedenoj metodi.Budući da RDL proces zahtijeva korištenje CMP procesa, njegova cijena proizvodnje je veća od cijene RDL procesa na bazi fotoosjetljivog polimera, tako da je njegova primjena relativno niska.
5. IPD procesna tehnologija
Za proizvodnju trodimenzionalnih uređaja, pored direktne integracije na čipu na MMIC, IPD proces pruža još jedan fleksibilniji tehnički put.
Integrisani pasivni uređaji, takođe poznati kao IPD proces, integrišu bilo koju kombinaciju pasivnih uređaja uključujući induktivne induktivne uređaje na čipu, kondenzatore, otpornike, balun pretvarače, itd. na zasebnoj podlozi da formiraju biblioteku pasivnih uređaja u obliku ploče za prenos koja može biti fleksibilno pozvan prema zahtjevima dizajna.
Budući da se u IPD procesu, pasivni uređaji proizvode i direktno integriraju na prijenosnoj ploči, njihov tok procesa je jednostavniji i jeftiniji od integracije IC-a na čipu i može se unaprijed masovno proizvoditi kao biblioteka pasivnih uređaja.
Za proizvodnju trodimenzionalnih pasivnih uređaja TSV, IPD može efikasno nadoknaditi troškovno opterećenje procesa trodimenzionalnog pakovanja uključujući TSV i RDL.
Pored prednosti u pogledu troškova, još jedna prednost IPD-a je njegova visoka fleksibilnost. Jedna od fleksibilnosti IPD-a ogleda se u različitim metodama integracije, kao što je prikazano na slici ispod. Pored dvije osnovne metode direktne integracije IPD-a u supstrat pakovanja putem flip-chip procesa kao što je prikazano na slici (a) ili procesa vezivanja kao što je prikazano na slici (b), drugi sloj IPD-a može se integrirati na jedan sloj IPD-a kao što je prikazano na slikama (c)-(e) kako bi se postigao širi raspon kombinacija pasivnih uređaja.
U isto vrijeme, kao što je prikazano na slici (f), IPD se dalje može koristiti kao adapterska ploča za direktno zakopavanje integriranog čipa na njega kako bi se direktno izgradio sistem pakovanja visoke gustine.
Kada se koristi IPD za izgradnju trodimenzionalnih pasivnih uređaja, mogu se koristiti i TSV proces i RDL proces. Tok procesa je u osnovi isti kao gore pomenuta metoda obrade integracije na čipu i neće se ponavljati; razlika je u tome što se objekt integracije mijenja sa čipa na adaptersku ploču, nema potrebe da se razmatra uticaj procesa trodimenzionalnog pakovanja na aktivno područje i sloj međupovezivanja. Ovo dalje dovodi do još jedne ključne fleksibilnosti IPD-a: različiti materijali supstrata mogu se fleksibilno odabrati u skladu sa zahtjevima dizajna pasivnih uređaja.
Materijali supstrata dostupni za IPD nisu samo uobičajeni poluprovodnički materijali supstrata kao što su Si i GaN, već i Al2O3 keramika, niskotemperaturna/visoka temperatura zajedno pečena keramika, staklene podloge, itd. Ova karakteristika efektivno proširuje fleksibilnost dizajna pasivnih uređaji integrisani od strane IPD.
Na primjer, trodimenzionalna pasivna struktura induktora integrirana od strane IPD-a može koristiti staklenu podlogu za efikasno poboljšanje performansi induktora. Za razliku od koncepta TSV-a, rupe napravljene na staklenoj podlozi nazivaju se i prolazne otvore za staklo (TGV). Fotografija trodimenzionalnog induktora proizvedenog prema IPD i TGV procesima prikazana je na donjoj slici. Budući da je otpornost staklene podloge mnogo veća od otpornosti konvencionalnih poluvodičkih materijala kao što je Si, trodimenzionalni induktor TGV ima bolja izolacijska svojstva, a gubitak umetanja uzrokovan parazitskim efektom supstrata na visokim frekvencijama je mnogo manji nego kod konvencionalni TSV trodimenzionalni induktor.
S druge strane, kondenzatori metal-izolator-metal (MIM) također se mogu proizvesti na staklenoj podlozi IPD kroz proces taloženja tankog filma i međusobno povezati s trodimenzionalnim induktorom TGV kako bi se formirala trodimenzionalna pasivna struktura filtera. Stoga, IPD proces ima širok potencijal primjene za razvoj novih trodimenzionalnih pasivnih uređaja.
Vrijeme objave: Nov-12-2024