Iepakošanas tehnoloģija ir viens no svarīgākajiem procesiem pusvadītāju rūpniecībā. Atbilstoši iepakojuma formai to var iedalīt ligzdas iepakojumā, virsmas montāžas iepakojumā, BGA iepakojumā, mikroshēmas izmēra paketē (CSP), viena mikroshēmas moduļa paketē (SCM, sprauga starp vadiem uz iespiedshēmas plates (PCB)) un integrālās shēmas (IC) plates spilventiņi), vairāku mikroshēmu moduļu pakotne (MCM, kas var integrēt neviendabīgas mikroshēmas), vafeļu līmeņa pakotne (WLP, ieskaitot ventilējamo vafeļu līmeņa pakotni (FOWLP), mikroshēmu virsmas montāžas komponenti (microSMD) u.c.), trīsdimensiju pakete (micro bump starpsavienojumu pakotne, TSV starpsavienojumu pakotne utt.), sistēmas pakotne (SIP), mikroshēmu sistēma (SOC).
3D iepakojuma formas galvenokārt tiek iedalītas trīs kategorijās: ieraktais tips (ierīces iegremdēšana daudzslāņu elektroinstalācijā vai pamatnē), aktīvā substrāta tips (silīcija plāksnīšu integrācija: vispirms integrējiet komponentus un vafeļu substrātu, lai izveidotu aktīvo substrātu pēc tam sakārtojiet daudzslāņu starpsavienojuma līnijas un salieciet citas mikroshēmas vai sastāvdaļas uz augšējā slāņa) un sakrautas (saliktas ar silīcija plāksnēm); silīcija vafeles, čipsi, kas sakrauti ar silīcija plāksnēm, un čipsi, kas sakrauti ar čipsiem).
3D starpsavienojuma metodes ietver stiepļu savienošanu (WB), flip chip (FC), caur silīciju (TSV), plēves vadītāju utt.
TSV realizē vertikālu starpsavienojumu starp mikroshēmām. Tā kā vertikālajai starpsavienojuma līnijai ir mazākais attālums un lielāka izturība, ir vieglāk realizēt miniaturizāciju, augstu blīvumu, augstu veiktspēju un daudzfunkcionālu neviendabīgas struktūras iepakojumu. Tajā pašā laikā tas var arī savienot dažādu materiālu mikroshēmas;
šobrīd ir divu veidu mikroelektronikas ražošanas tehnoloģijas, kurās izmanto TSV procesu: trīsdimensiju shēmas iepakojums (3D IC integrācija) un trīsdimensiju silīcija iepakojums (3D Si integrācija).
Atšķirība starp abām formām ir šāda:
(1) 3D ķēdes iepakojumam ir nepieciešams, lai mikroshēmu elektrodi būtu sagatavoti izciļņiem, un izciļņi ir savstarpēji savienoti (savienoti, savienojot, sapludinot, metinot utt.), savukārt 3D silīcija iepakojums ir tiešs savienojums starp mikroshēmām (savienojumi starp oksīdiem un Cu -Cu savienošana).
(2) 3D ķēdes integrācijas tehnoloģiju var panākt, savienojot plāksnītes (3D ķēdes iepakojums, 3D silīcija iepakojums), savukārt savienošanu starp mikroshēmām un plāksnēm var panākt tikai ar 3D ķēdes iepakojumu.
(3) Starp mikroshēmām, kas integrētas 3D ķēdes iepakošanas procesā, ir spraugas, un ir jāaizpilda dielektriskie materiāli, lai pielāgotu sistēmas siltumvadītspēju un siltuma izplešanās koeficientu, lai nodrošinātu sistēmas mehānisko un elektrisko īpašību stabilitāti; starp mikroshēmām, kas integrētas 3D silīcija iepakošanas procesā, nav spraugu, un mikroshēmas enerģijas patēriņš, apjoms un svars ir mazs, un elektriskā veiktspēja ir lieliska.
TSV process var izveidot vertikālu signāla ceļu caur substrātu un savienot RDL substrāta augšpusē un apakšā, lai izveidotu trīsdimensiju vadītāja ceļu. Tāpēc TSV process ir viens no svarīgiem stūrakmeņiem trīsdimensiju pasīvās ierīces struktūras konstruēšanā.
Atbilstoši secībai starp līnijas priekšējo galu (FEOL) un līnijas aizmugurējo galu (BEOL), TSV procesu var iedalīt trīs galvenajos ražošanas procesos, proti, pa pirmo (ViaFirst), caur vidējo (Via Middle) un izmantojot pēdējo (Via Last) procesu, kā parādīts attēlā.
1. Caur kodināšanas procesu
Caur kodināšanas process ir TSV struktūras ražošanas atslēga. Piemērota kodināšanas procesa izvēle var efektīvi uzlabot TSV mehānisko izturību un elektriskās īpašības, kā arī vēl vairāk saistīts ar TSV trīsdimensiju ierīču kopējo uzticamību.
Pašlaik ir četri galvenie TSV kodināšanas procesi: dziļi reaktīvā jonu kodināšana (DRIE), mitrā kodināšana, fotoasistenta elektroķīmiskā kodināšana (PAECE) un lāzera urbšana.
(1) Dziļi reaktīvā jonu kodināšana (DRIE)
Dziļi reaktīvā jonu kodināšana, kas pazīstama arī kā DRIE process, ir visbiežāk izmantotais TSV kodināšanas process, ko galvenokārt izmanto, lai realizētu TSV, izmantojot struktūras ar augstu malu attiecību. Tradicionālie plazmas kodināšanas procesi parasti var sasniegt tikai vairāku mikronu kodināšanas dziļumu ar zemu kodināšanas ātrumu un kodināšanas maskas selektivitātes trūkumu. Pamatojoties uz to, Bosch ir veicis atbilstošus procesa uzlabojumus. Izmantojot SF6 kā reaktīvo gāzi un kodināšanas procesa laikā izdalot C4F8 gāzi kā sānu sienu pasivācijas aizsardzību, uzlabotais DRIE process ir piemērots augstas proporcijas caurumu kodināšanai. Tāpēc to sauc arī par Bosch procesu tā izgudrotāja vārdā.
Zemāk redzamajā attēlā ir fotoattēls ar augstu malu attiecību, kas izveidots, kodinot DRIE procesu.
Lai gan DRIE process tiek plaši izmantots TSV procesā, pateicoties tā labajai vadāmībai, tā trūkums ir tas, ka sānu sienu līdzenums ir slikts un veidosies ķemmīšgliemeņu formas kroku defekti. Šis defekts ir nozīmīgāks, kodinot augstas malu attiecības caurumus.
(2) Slapjā kodināšana
Mitrā kodināšana izmanto maskas un ķīmiskās kodināšanas kombināciju, lai kodinātu caurumus. Visbiežāk izmantotais kodināšanas šķīdums ir KOH, kas var iegravēt silīcija substrāta pozīcijas, kuras neaizsargā maska, tādējādi veidojot vēlamo cauruma struktūru. Mitrā kodināšana ir agrākais izstrādātais kodināšanas process caur caurumu. Tā kā tā procesa soļi un nepieciešamais aprīkojums ir salīdzinoši vienkāršs, tas ir piemērots TSV masveida ražošanai par zemām izmaksām. Tomēr tā ķīmiskās kodināšanas mehānisms nosaka, ka ar šo metodi izveidoto caurumu ietekmēs silīcija vafeles kristāla orientācija, padarot iegravēto caurumu nevertikālu, bet skaidri parādot plašu augšējo un šauru apakšējo daļu. Šis defekts ierobežo mitrās kodināšanas izmantošanu TSV ražošanā.
(3) Elektroķīmiskā kodināšana ar foto palīdzību (PAECE)
Fotoattēla elektroķīmiskās kodināšanas (PAECE) pamatprincips ir ultravioletās gaismas izmantošana, lai paātrinātu elektronu caurumu pāru veidošanos, tādējādi paātrinot elektroķīmiskās kodināšanas procesu. Salīdzinot ar plaši izmantoto DRIE procesu, PAECE process ir piemērotāks īpaši lielu caurumu struktūru kodināšanai, kas ir lielākas par 100:1, taču tā trūkums ir tāds, ka kodināšanas dziļuma vadāmība ir vājāka nekā DRIE, un tā tehnoloģija var nepieciešama turpmāka izpēte un procesa uzlabošana.
(4) Lāzera urbšana
Atšķiras no trim iepriekš minētajām metodēm. Lāzera urbšanas metode ir tīri fiziska metode. Tas galvenokārt izmanto augstas enerģijas lāzera apstarošanu, lai izkausētu un iztvaicētu substrāta materiālu norādītajā zonā, lai fiziski realizētu TSV cauruma konstrukciju.
Lāzera urbšanas rezultātā izveidotajam caurumam ir augsta malu attiecība, un sānu siena pamatā ir vertikāla. Tomēr, tā kā lāzera urbšanā caururbuma veidošanai faktiski tiek izmantota lokāla karsēšana, TSV cauruma sienu negatīvi ietekmēs termiski bojājumi un samazināsies uzticamība.
2. Linera slāņa nogulsnēšanas process
Vēl viena galvenā tehnoloģija TSV ražošanai ir oderējuma slāņa nogulsnēšanās process.
Oderes slāņa nogulsnēšanas process tiek veikts pēc caurejošā cauruma iegravēšanas. Uzklātais oderējuma slānis parasti ir oksīds, piemēram, SiO2. Oderes slānis atrodas starp TSV iekšējo vadītāju un substrātu, un tam galvenokārt ir līdzstrāvas noplūdes izolēšanas loma. Papildus oksīda nogulsnēšanai ir nepieciešami arī barjeras un sēklas slāņi, lai nākamajā procesā vadītu aizpildīšanai.
Izgatavotajam oderējuma slānim jāatbilst šādām divām pamatprasībām:
(1) izolācijas slāņa pārrāvuma spriegumam jāatbilst faktiskajām TSV darba prasībām;
(2) uzklātie slāņi ir ļoti konsekventi un tiem ir laba saķere viens ar otru.
Nākamajā attēlā parādīts oderējuma slāņa fotoattēls, kas nogulsnēts ar plazmas pastiprinātu ķīmisko tvaiku pārklāšanu (PECVD).
Uzklāšanas process ir attiecīgi jāpielāgo dažādiem TSV ražošanas procesiem. Priekšējā cauruma procesā var izmantot augstas temperatūras nogulsnēšanas procesu, lai uzlabotu oksīda slāņa kvalitāti.
Tipiska augstas temperatūras nogulsnēšanās pamatā var būt tetraetilortosilikāts (TEOS) apvienojumā ar termiskās oksidācijas procesu, lai izveidotu ļoti konsekventu augstas kvalitātes SiO2 izolācijas slāni. Vidējā cauruma un aizmugurējā cauruma procesam, jo BEOL process ir pabeigts nogulsnēšanas laikā, ir nepieciešama zemas temperatūras metode, lai nodrošinātu saderību ar BEOL materiāliem.
Šādos apstākļos nogulsnēšanas temperatūra jāierobežo līdz 450°, ieskaitot PECVD izmantošanu SiO2 vai SiNx nogulsnēšanai kā izolācijas slānim.
Vēl viena izplatīta metode ir izmantot atomu slāņa pārklājumu (ALD), lai nogulsnētu Al2O3, lai iegūtu blīvāku izolācijas slāni.
3. Metāla pildīšanas process
TSV uzpildīšanas process tiek veikts uzreiz pēc oderējuma uzklāšanas procesa, kas ir vēl viena galvenā tehnoloģija, kas nosaka TSV kvalitāti.
Materiāli, kurus var pildīt, ir leģēts polisilīcijs, volframs, oglekļa nanocaurules utt. atkarībā no izmantotā procesa, taču visizplatītākais joprojām ir galvanizēts varš, jo tā process ir nobriedis un tā elektriskā un siltuma vadītspēja ir salīdzinoši augsta.
Atbilstoši galvanizācijas ātruma sadalījumam caurlaidē, to galvenokārt var iedalīt subkonformālās, konformālās, superkonformālās un augšupējās galvanizācijas metodēs, kā parādīts attēlā.
Subkonformālā galvanizācija galvenokārt tika izmantota TSV pētījumu sākumposmā. Kā parādīts (a) attēlā, elektrolīzes nodrošinātie Cu joni ir koncentrēti augšpusē, savukārt apakšdaļa ir nepietiekami papildināta, kā rezultātā galvanizācijas ātrums caururbuma augšdaļā ir lielāks nekā augšpusē. Tāpēc caurejas augšdaļa tiks aizvērta iepriekš, pirms tā ir pilnībā piepildīta, un iekšpusē izveidosies liels tukšums.
Konformālās galvanizācijas metodes shematiskā diagramma un foto ir parādīti attēlā (b). Nodrošinot vienmērīgu Cu jonu papildināšanu, galvanizācijas ātrums katrā cauruma cauruma pozīcijā ir būtībā vienāds, tāpēc iekšpusē paliks tikai šuve, un tukšuma tilpums ir daudz mazāks nekā subkonformālās galvanizācijas metodes gadījumā, tāpēc tas tiek plaši izmantots.
Lai vēl vairāk panāktu aizpildīšanas efektu bez tukšumiem, tika piedāvāta superkonformālā galvanizācijas metode, lai optimizētu konformālās galvanizācijas metodi. Kā parādīts (c) attēlā, kontrolējot Cu jonu padevi, piepildīšanas ātrums apakšā ir nedaudz lielāks nekā citās pozīcijās, tādējādi optimizējot uzpildes pakāpes gradientu no apakšas uz augšu, lai pilnībā novērstu kreiso šuvi. ar konformālās galvanizācijas metodi, lai panāktu pilnīgi brīvu metāla vara pildījumu.
Augšupējo galvanizācijas metodi var uzskatīt par īpašu superkonformālās metodes gadījumu. Šajā gadījumā galvanizācijas ātrums, izņemot apakšējo daļu, tiek samazināts līdz nullei, un tikai galvanizācija tiek pakāpeniski veikta no apakšas uz augšu. Papildus konformālās galvanizācijas metodes priekšrocībām bez tukšumiem, šī metode var arī efektīvi samazināt kopējo galvanizācijas laiku, tāpēc pēdējos gados tā ir plaši pētīta.
4. RDL procesa tehnoloģija
RDL process ir neaizstājama pamattehnoloģija trīsdimensiju iepakošanas procesā. Izmantojot šo procesu, abās substrāta pusēs var izgatavot metāla starpsavienojumus, lai sasniegtu portu pārdales vai starpsavienojumu starp pakām mērķi. Tāpēc RDL process tiek plaši izmantots ventilatora-izplūdes vai 2,5D/3D iepakošanas sistēmās.
Trīsdimensiju ierīču veidošanas procesā RDL process parasti tiek izmantots, lai savienotu TSV, lai realizētu dažādas trīsdimensiju ierīču struktūras.
Pašlaik ir divi galvenie RDL procesi. Pirmā ir balstīta uz gaismjutīgiem polimēriem un apvienota ar vara galvanizācijas un kodināšanas procesiem; otrs tiek realizēts, izmantojot Cu Damascus procesu apvienojumā ar PECVD un ķīmiski mehāniskās pulēšanas (CMP) procesu.
Tālāk tiks iepazīstināti attiecīgi ar šo divu RDL galveno procesu ceļiem.
RDL process, kura pamatā ir gaismjutīgs polimērs, ir parādīts attēlā iepriekš.
Vispirms uz vafeles virsmas ar rotāciju tiek pārklāts PI vai BCB līmes slānis, un pēc karsēšanas un sacietēšanas tiek izmantots fotolitogrāfijas process, lai atvērtu caurumus vēlamajā pozīcijā, un pēc tam tiek veikta kodināšana. Pēc tam, pēc fotorezista noņemšanas, Ti un Cu tiek izsmidzināts uz plāksnītes, izmantojot fizikālo tvaiku pārklāšanas procesu (PVD) kā barjeras slāni un sēklu slāni, attiecīgi. Pēc tam pirmais RDL slānis tiek ražots uz eksponētā Ti / Cu slāņa, apvienojot fotolitogrāfijas un galvanizācijas Cu procesus, un pēc tam tiek noņemts fotorezists un izgravēts Ti un Cu pārpalikums. Atkārtojiet iepriekš minētās darbības, lai izveidotu daudzslāņu RDL struktūru. Pašlaik šī metode tiek plaši izmantota rūpniecībā.
Vēl viena RDL ražošanas metode galvenokārt balstās uz Cu Damascus procesu, kas apvieno PECVD un CMP procesus.
Atšķirība starp šo metodi un RDL procesu, kura pamatā ir gaismjutīgs polimērs, ir tāda, ka katra slāņa izgatavošanas pirmajā posmā PECVD izmanto SiO2 vai Si3N4 kā izolācijas slāni, un pēc tam uz izolācijas slāņa ar fotolitogrāfijas palīdzību tiek izveidots logs. reaktīvo jonu kodināšana un Ti/Cu barjeras/sēklu slānis un vadītāja vara tiek izsmidzināti attiecīgi, un pēc tam vadītāja slānis tiek atšķaidīts līdz vajadzīgajam biezumam ar CMP. process, tas ir, veidojas RDL vai caururbuma slānis.
Nākamajā attēlā ir shematiska diagramma un fotoattēls ar daudzslāņu RDL šķērsgriezumu, kas konstruēts, pamatojoties uz Cu Damascus procesu. Var novērot, ka TSV vispirms ir savienots ar cauruma slāni V01 un pēc tam tiek sakrauts no apakšas uz augšu RDL1, cauruma slāņa V12 un RDL2 secībā.
Katrs RDL vai caururbuma slānis tiek ražots secīgi saskaņā ar iepriekš minēto metodi.Tā kā RDL procesam ir nepieciešams izmantot CMP procesu, tā ražošanas izmaksas ir augstākas nekā RDL procesam, kura pamatā ir gaismjutīgs polimērs, tāpēc tā pielietojums ir salīdzinoši zems.
5. IPD procesa tehnoloģija
Trīsdimensiju ierīču ražošanai papildus tiešai integrācijai mikroshēmā MMIC IPD process nodrošina vēl vienu elastīgāku tehnisko ceļu.
Integrētās pasīvās ierīces, kas pazīstamas arī kā IPD process, integrē jebkuru pasīvo ierīču kombināciju, ieskaitot mikroshēmas induktorus, kondensatorus, rezistorus, balun pārveidotājus utt., uz atsevišķa substrāta, lai izveidotu pasīvo ierīču bibliotēku pārsūtīšanas plates veidā, kas var elastīgi izsaukt atbilstoši dizaina prasībām.
Tā kā IPD procesā pasīvās ierīces tiek ražotas un tieši integrētas pārsūtīšanas panelī, tās procesa plūsma ir vienkāršāka un lētāka nekā IC integrēšana mikroshēmā, un to var masveidā ražot iepriekš kā pasīvo ierīču bibliotēku.
TSV trīsdimensiju pasīvo ierīču ražošanai IPD var efektīvi kompensēt trīsdimensiju iepakošanas procesu, tostarp TSV un RDL, izmaksu slogu.
Papildus izmaksu priekšrocībām vēl viena IPD priekšrocība ir tā augstā elastība. Viena no IPD elastībām ir atspoguļota dažādās integrācijas metodēs, kā parādīts attēlā zemāk. Papildus divām pamatmetodēm IPD tiešai integrēšanai iepakojuma substrātā, izmantojot flip-chip procesu, kā parādīts (a) attēlā, vai savienošanas procesu, kā parādīts (b) attēlā, vienā slānī var integrēt vēl vienu IPD slāni. IPD, kā parādīts c)–e) attēlā, lai panāktu plašāku pasīvo ierīču kombināciju klāstu.
Tajā pašā laikā, kā parādīts attēlā (f), IPD var tālāk izmantot kā adaptera plati, lai tieši apraktu tajā integrēto mikroshēmu, lai tieši izveidotu augsta blīvuma iepakošanas sistēmu.
Izmantojot IPD, lai izveidotu trīsdimensiju pasīvās ierīces, var izmantot arī TSV procesu un RDL procesu. Procesa plūsma būtībā ir tāda pati kā iepriekš minētā mikroshēmas integrācijas apstrādes metode, un tā netiks atkārtota; atšķirība ir tāda, ka, tā kā integrācijas objekts tiek mainīts no mikroshēmas uz adaptera plati, nav jāņem vērā trīsdimensiju iepakošanas procesa ietekme uz aktīvo zonu un starpsavienojuma slāni. Tas vēl vairāk noved pie vēl vienas svarīgas IPD elastības: dažādus substrāta materiālus var elastīgi izvēlēties atbilstoši pasīvo ierīču dizaina prasībām.
IPD pieejamie substrāta materiāli ir ne tikai parastie pusvadītāju substrāta materiāli, piemēram, Si un GaN, bet arī Al2O3 keramika, zemas/augstas temperatūras līdzdedzes keramika, stikla substrāti utt. Šī funkcija efektīvi paplašina pasīvās konstrukcijas elastību. IPD integrētās ierīces.
Piemēram, IPD integrētā trīsdimensiju pasīvā induktora struktūra var izmantot stikla substrātu, lai efektīvi uzlabotu induktora veiktspēju. Atšķirībā no TSV koncepcijas, uz stikla pamatnes izveidotos caurumus sauc arī par stikla caurumiem (TGV). Trīsdimensiju induktors, kas ražots, pamatojoties uz IPD un TGV procesiem, ir parādīts zemāk esošajā attēlā. Tā kā stikla substrāta pretestība ir daudz augstāka nekā parastajiem pusvadītāju materiāliem, piemēram, Si, TGV trīsdimensiju induktoram ir labākas izolācijas īpašības, un ievietošanas zudumi, ko izraisa substrāta parazitārais efekts augstās frekvencēs, ir daudz mazāki nekā parastais TSV trīsdimensiju induktors.
No otras puses, metāla izolatora-metāla (MIM) kondensatorus var izgatavot arī uz stikla pamatnes IPD, izmantojot plānas plēves nogulsnēšanas procesu, un savstarpēji savienot ar TGV trīsdimensiju induktors, lai izveidotu trīsdimensiju pasīvā filtra struktūru. Tāpēc IPD procesam ir plašs pielietojuma potenciāls jaunu trīsdimensiju pasīvo ierīču izstrādē.
Publicēšanas laiks: 12.11.2024