Technologie balení je jedním z nejdůležitějších procesů v polovodičovém průmyslu. Podle tvaru obalu jej lze rozdělit na pouzdro soketu, pouzdro pro povrchovou montáž, pouzdro BGA, pouzdro velikosti čipu (CSP), pouzdro modulu s jedním čipem (SCM, mezera mezi kabeláží na desce s plošnými spoji (PCB) a odpovídající podložka desky s integrovaným obvodem (IC), balíček vícečipového modulu (MCM, který může integrovat heterogenní čipy), balíček na úrovni waferu (WLP, včetně balíčku na úrovni waferu (FOWLP), mikročástice pro povrchovou montáž (microSMD) atd.), trojrozměrný balíček (micro bump interconnect package, TSV interconnect package, atd.), systémový balíček (SIP), čipový systém (SOC).
Formy 3D balení se dělí hlavně do tří kategorií: zakopaný typ (zakopání zařízení do vícevrstvého vedení nebo zakopání v substrátu), aktivní typ substrátu (integrace křemíkového plátku: nejprve integrujte komponenty a substrát plátku, aby se vytvořil aktivní substrát poté uspořádat vícevrstvé propojovací linky a sestavit další čipy nebo součásti na horní vrstvě) a vrstvený typ (křemíkové destičky naskládané křemíkovými destičkami, čipy naskládané křemíkem oplatky a hranolky naskládané s hranolky).
Mezi metody 3D propojení patří drátové spojování (WB), flip chip (FC), přes křemík přes (TSV), filmový vodič atd.
TSV realizuje vertikální propojení mezi čipy. Vzhledem k tomu, že vertikální propojovací linie má nejkratší vzdálenost a vyšší pevnost, je snazší realizovat miniaturizaci, vysokou hustotu, vysoký výkon a multifunkční balení heterogenní struktury. Zároveň dokáže propojovat i čipy z různých materiálů;
v současnosti existují dva typy technologií výroby mikroelektroniky využívající proces TSV: trojrozměrné balení obvodů (3D IC integrace) a trojrozměrné křemíkové balení (3D Si integrace).
Rozdíl mezi těmito dvěma formami je v tom, že:
(1) 3D balení obvodů vyžaduje, aby byly elektrody čipu připraveny do hrbolků a hrbolky jsou vzájemně propojeny (spojeny lepením, fúzí, svařováním atd.), zatímco 3D silikonový obal je přímým propojením mezi čipy (spojení mezi oxidy a Cu - Cu lepení).
(2) Technologie integrace 3D obvodů lze dosáhnout spojováním mezi destičkami (3D obaly obvodů, 3D silikonové obaly), zatímco spojování čipů a čipů a spojování čipů a destiček lze dosáhnout pouze obalem 3D obvodů.
(3) Mezi čipy integrovanými procesem balení 3D obvodu jsou mezery a je třeba vyplnit dielektrické materiály, aby se upravila tepelná vodivost a koeficient tepelné roztažnosti systému, aby byla zajištěna stabilita mechanických a elektrických vlastností systému; mezi čipy integrovanými procesem 3D silikonového balení nejsou žádné mezery a spotřeba energie, objem a hmotnost čipu jsou malé a elektrický výkon je vynikající.
Proces TSV může vytvořit vertikální signálovou cestu skrz substrát a připojit RDL na horní a spodní straně substrátu, aby vytvořil trojrozměrnou vodičovou cestu. Proto je proces TSV jedním z důležitých základních kamenů pro konstrukci trojrozměrné pasivní struktury zařízení.
Podle pořadí mezi předním koncem linky (FEOL) a zadním koncem linky (BEOL) lze proces TSV rozdělit do tří hlavních výrobních procesů, a to přes první (ViaFirst), přes střední (Via Middle) a přes poslední (Via Last) proces, jak je znázorněno na obrázku.
1. Prostřednictvím procesu leptání
Proces leptání via je klíčem k výrobě struktury TSV. Výběr vhodného procesu leptání může účinně zlepšit mechanickou pevnost a elektrické vlastnosti TSV a dále souvisí s celkovou spolehlivostí trojrozměrných zařízení TSV.
V současnosti existují čtyři hlavní proudy TSV prostřednictvím procesů leptání: hluboké reaktivní iontové leptání (DRIE), mokré leptání, fotoasistované elektrochemické leptání (PAECE) a laserové vrtání.
(1) Hluboké reaktivní iontové leptání (DRIE)
Hluboké reaktivní iontové leptání, také známé jako proces DRIE, je nejběžněji používaný proces leptání TSV, který se používá hlavně k realizaci TSV prostřednictvím struktur s vysokým poměrem stran. Tradiční procesy plazmového leptání mohou obecně dosáhnout pouze hloubky leptání několika mikronů, s nízkou rychlostí leptání a nedostatkem selektivity leptací masky. Bosch na tomto základě provedl odpovídající procesní vylepšení. Díky použití SF6 jako reaktivního plynu a uvolňování plynu C4F8 během procesu leptání jako pasivační ochrany pro boční stěny je vylepšený proces DRIE vhodný pro leptání prokovů s vysokým poměrem stran. Proto se mu také říká Boschův proces po svém vynálezci.
Obrázek níže je fotografie vysokého poměru stran vytvořená leptáním DRIE procesem.
Ačkoli je proces DRIE široce používán v procesu TSV díky své dobré ovladatelnosti, jeho nevýhodou je špatná rovinnost boční stěny a vznik vrásek ve tvaru hřebene. Tato vada je výraznější při leptání prokovů s vysokým poměrem stran.
(2) Mokré leptání
Mokré leptání využívá k leptání průchozích otvorů kombinaci masky a chemického leptání. Nejčastěji používaným leptacím roztokem je KOH, který dokáže vyleptat polohy na křemíkovém substrátu, které nejsou chráněny maskou, a tím vytvořit požadovanou strukturu průchozího otvoru. Mokré leptání je nejranější vyvinutý proces leptání skrz díry. Protože jeho procesní kroky a požadované vybavení jsou relativně jednoduché, je vhodný pro hromadnou výrobu TSV s nízkými náklady. Mechanismus chemického leptání však určuje, že průchozí otvor vytvořený touto metodou bude ovlivněn orientací krystalu křemíkového plátku, takže vyleptaný průchozí otvor není vertikální, ale vykazuje jasný jev širokého vrcholu a úzkého dna. Tato vada omezuje použití mokrého leptání při výrobě TSV.
(3) Fotoasistované elektrochemické leptání (PAECE)
Základním principem foto-asistovaného elektrochemického leptání (PAECE) je použití ultrafialového světla k urychlení generování párů elektron-díra, čímž se urychlí proces elektrochemického leptání. Ve srovnání s široce používaným procesem DRIE je proces PAECE vhodnější pro leptání ultravelkých struktur s průchozími otvory větších než 100:1, ale jeho nevýhodou je, že ovladatelnost hloubky leptání je slabší než DRIE a jeho technologie může vyžadují další výzkum a zlepšování procesů.
(4) Laserové vrtání
Liší se od výše uvedených tří metod. Metoda laserového vrtání je čistě fyzikální metoda. Využívá hlavně vysokoenergetické laserové záření k roztavení a odpaření materiálu substrátu ve specifikované oblasti, aby se fyzicky realizovala konstrukce TSV s průchozími otvory.
Průchozí otvor vytvořený laserovým vrtáním má vysoký poměr stran a boční stěna je v podstatě vertikální. Protože však laserové vrtání ve skutečnosti používá k vytvoření průchozího otvoru místní ohřev, stěna otvoru TSV bude negativně ovlivněna tepelným poškozením a sníží se spolehlivost.
2. Proces nanášení krycí vrstvy
Další klíčovou technologií pro výrobu TSV je proces nanášení krycí vrstvy.
Proces nanášení vrstvy krycí vrstvy se provádí po vyleptání průchozího otvoru. Nanesená krycí vrstva je obecně oxid, jako je Si02. Vrstva vložky je umístěna mezi vnitřním vodičem TSV a substrátem a hraje hlavně roli izolování úniku stejnosměrného proudu. Kromě ukládání oxidu jsou pro plnění vodičů v dalším procesu také nutné bariérové a zárodečné vrstvy.
Vyrobená krycí vrstva musí splňovat tyto dva základní požadavky:
(1) průrazné napětí izolační vrstvy by mělo splňovat skutečné pracovní požadavky TSV;
(2) nanesené vrstvy jsou vysoce konzistentní a mají dobrou vzájemnou adhezi.
Následující obrázek ukazuje fotografii krycí vrstvy nanesené plazmovou chemickou depozicí z plynné fáze (PECVD).
Proces nanášení je třeba odpovídajícím způsobem upravit pro různé výrobní procesy TSV. Pro proces předního průchozího otvoru lze pro zlepšení kvality vrstvy oxidu použít proces vysokoteplotní depozice.
Typická vysokoteplotní depozice může být založena na tetraethylorthosilikátu (TEOS) v kombinaci s procesem tepelné oxidace za vzniku vysoce konzistentní vysoce kvalitní izolační vrstvy SiO2. Pro proces středního průchozího otvoru a zadního průchozího otvoru, protože proces BEOL byl dokončen během nanášení, je pro zajištění kompatibility s materiály BEOL vyžadována nízkoteplotní metoda.
Za těchto podmínek by teplota nanášení měla být omezena na 450°, včetně použití PECVD k nanášení SiO2 nebo SiNx jako izolační vrstvy.
Další běžnou metodou je použití atomové vrstvy (ALD) k nanesení Al2O3 za účelem získání hustší izolační vrstvy.
3. Proces plnění kovů
Proces plnění TSV se provádí bezprostředně po procesu nanášení vložky, což je další klíčová technologie, která určuje kvalitu TSV.
Materiály, které lze plnit, zahrnují dopovaný polysilikon, wolfram, uhlíkové nanotrubičky atd. v závislosti na použitém procesu, ale nejhlavnějším proudem je stále galvanizovaná měď, protože její proces je vyzrálý a její elektrická a tepelná vodivost je relativně vysoká.
Podle distribučního rozdílu rychlosti galvanického pokovování v průchozím otvoru jej lze rozdělit hlavně na subkonformní, konformní, superkonformní a metody galvanického pokovování zdola nahoru, jak je znázorněno na obrázku.
Subkonformní galvanické pokovování se používalo hlavně v rané fázi výzkumu TSV. Jak je znázorněno na obrázku (a), ionty Cu poskytované elektrolýzou jsou koncentrovány nahoře, zatímco dno je nedostatečně doplněno, což způsobuje, že rychlost galvanického pokovování v horní části průchozího otvoru je vyšší než pod horní částí. Proto bude vršek průchozího otvoru předem uzavřen, než se zcela zaplní, a uvnitř se vytvoří velká dutina.
Schematický diagram a fotografie metody konformního galvanického pokovování jsou uvedeny na obrázku (b). Zajištěním rovnoměrného doplňování Cu iontů je rychlost galvanického pokovování v každé poloze v průchozím otvoru v podstatě stejná, takže uvnitř zůstane pouze šev a objem dutin je mnohem menší než u subkonformní metody galvanického pokovování, takže je široce používán.
Aby se dále dosáhlo efektu vyplňování bez dutin, byla navržena metoda superkonformního galvanického pokovování, aby se optimalizovala metoda konformního galvanického pokovování. Jak je znázorněno na obrázku (c), řízením dodávky iontů Cu je rychlost plnění dole o něco vyšší než v jiných polohách, čímž se optimalizuje stupňovitý gradient rychlosti plnění zdola nahoru, aby se zcela eliminoval levý šev. metodou konformního galvanického pokovování, aby se dosáhlo zcela bez dutin prosté kovové měděné výplně.
Metodu galvanického pokovování zdola nahoru lze považovat za speciální případ superkonformní metody. V tomto případě je rychlost galvanického pokovování kromě dna potlačena na nulu a pouze galvanizace se postupně provádí zdola nahoru. Kromě výhody konformního galvanického pokovování bez dutin může tato metoda také účinně zkrátit celkovou dobu galvanizace, takže byla v posledních letech široce studována.
4. Procesní technologie RDL
Proces RDL je nepostradatelnou základní technologií v procesu trojrozměrného balení. Prostřednictvím tohoto procesu mohou být vyrobena kovová propojení na obou stranách substrátu pro dosažení účelu přerozdělení portů nebo propojení mezi obaly. Proto je proces RDL široce používán v systémech vějířového-v-větrání nebo 2,5D/3D balicích systémů.
V procesu vytváření trojrozměrných zařízení se proces RDL obvykle používá k propojení TSV za účelem realizace různých struktur trojrozměrných zařízení.
V současnosti existují dva hlavní hlavní procesy RDL. První je založen na fotosenzitivních polymerech a je kombinovaný s procesy galvanického pokovování mědí a leptání; druhý je realizován pomocí procesu Cu Damašek v kombinaci s PECVD a procesem chemického mechanického leštění (CMP).
Následující text představí hlavní procesní cesty těchto dvou RDL.
Proces RDL založený na fotosenzitivním polymeru je znázorněn na obrázku výše.
Nejprve se na povrch waferu rotací nanese vrstva PI nebo BCB lepidla a po zahřátí a vytvrzení se pomocí fotolitografického procesu otevřou otvory v požadované poloze a následně se provede leptání. Dále, po odstranění fotorezistu, jsou Ti a Cu naprašovány na destičku prostřednictvím procesu fyzikálního napařování (PVD) jako bariérová vrstva a zárodečná vrstva. Dále je vyrobena první vrstva RDL na exponované vrstvě Ti/Cu kombinací fotolitografie a galvanického pokovování Cu procesů a poté je fotorezist odstraněn a přebytečný Ti a Cu je odleptán. Opakováním výše uvedených kroků vytvořte vícevrstvou strukturu RDL. Tato metoda je v současnosti v průmyslu více využívána.
Další metoda výroby RDL je založena hlavně na procesu Cu Damašek, který kombinuje procesy PECVD a CMP.
Rozdíl mezi touto metodou a procesem RDL založeným na fotosenzitivním polymeru je v tom, že v prvním kroku výroby každé vrstvy se PECVD použije k nanesení SiO2 nebo Si3N4 jako izolační vrstvy a poté se na izolační vrstvě vytvoří okénko fotolitografií a reaktivní iontové leptání a Ti/Cu bariérová/zárodečná vrstva a vodičová měď jsou naprášeny a poté je vrstva vodiče ztenčena na požadovanou tloušťku procesem CMP, tj. vytvoří se vrstva RDL nebo vrstva průchozího otvoru.
Na následujícím obrázku je schematický diagram a fotografie průřezu vícevrstvého RDL zkonstruovaného na základě procesu Cu Damašek. Je možné pozorovat, že TSV je nejprve připojen k průchozí vrstvě V01 a poté naskládán zdola nahoru v pořadí RDL1, průchozí vrstva V12 a RDL2.
Každá vrstva RDL nebo vrstva s průchozími otvory se vyrábí postupně podle výše uvedeného způsobu.Protože proces RDL vyžaduje použití procesu CMP, jeho výrobní náklady jsou vyšší než u procesu RDL založeného na fotosenzitivním polymeru, takže jeho použití je relativně nízké.
5. Technologie procesu IPD
Pro výrobu trojrozměrných zařízení poskytuje kromě přímé integrace na čipu na MMIC proces IPD další flexibilnější technickou cestu.
Integrovaná pasivní zařízení, známá také jako proces IPD, integrují libovolnou kombinaci pasivních zařízení včetně induktorů na čipu, kondenzátorů, rezistorů, balunových převodníků atd. na samostatném substrátu za účelem vytvoření knihovny pasivních zařízení ve formě přenosové desky, která může být flexibilně volána podle požadavků na design.
Vzhledem k tomu, že v procesu IPD jsou pasivní zařízení vyráběna a přímo integrována na přenosovou desku, je jeho procesní tok jednodušší a méně nákladný než integrace integrovaných obvodů na čipu a lze jej hromadně vyrábět předem jako knihovnu pasivních zařízení.
Pro výrobu trojrozměrných pasivních zařízení TSV může IPD účinně kompenzovat nákladovou zátěž trojrozměrných balicích procesů včetně TSV a RDL.
Kromě cenových výhod je další výhodou IPD jeho vysoká flexibilita. Jedna z flexibility IPD se odráží v různých metodách integrace, jak ukazuje obrázek níže. Kromě dvou základních metod přímé integrace IPD do substrátu obalu prostřednictvím procesu flip-chip, jak je znázorněno na obrázku (a) nebo procesu lepení, jak je znázorněno na obrázku (b), lze na jednu vrstvu integrovat další vrstvu IPD. IPD, jak je znázorněno na obrázcích (c)-(e), aby se dosáhlo širšího rozsahu kombinací pasivních zařízení.
Současně, jak je znázorněno na obrázku (f), lze IPD dále použít jako desku adaptéru k přímému zakopání integrovaného čipu do něj a přímo vytvořit systém balení s vysokou hustotou.
Při použití IPD k sestavení trojrozměrných pasivních zařízení lze také použít proces TSV a proces RDL. Tok procesu je v zásadě stejný jako výše zmíněná metoda integrace na čipu a nebude se opakovat; rozdíl je v tom, že vzhledem k tomu, že se objekt integrace změní z čipu na desku adaptéru, není třeba uvažovat o dopadu procesu trojrozměrného balení na aktivní oblast a propojovací vrstvu. To dále vede k další klíčové flexibilitě IPD: různé materiály substrátu lze flexibilně vybrat podle konstrukčních požadavků pasivních zařízení.
Substrátové materiály dostupné pro IPD nejsou jen běžné polovodičové substrátové materiály jako Si a GaN, ale také Al2O3 keramika, nízkoteplotně/vysokoteplotně vypalovaná keramika, skleněné substráty atd. Tato vlastnost efektivně rozšiřuje konstrukční flexibilitu pasivních zařízení integrovaná pomocí IPD.
Například trojrozměrná pasivní struktura induktoru integrovaná pomocí IPD může používat skleněný substrát k efektivnímu zlepšení výkonu induktoru. Na rozdíl od konceptu TSV se průchozí otvory vytvořené na skleněném substrátu také nazývají průchozí skleněné průchody (TGV). Fotografie trojrozměrného induktoru vyrobeného na základě procesů IPD a TGV je uvedena na obrázku níže. Protože měrný odpor skleněného substrátu je mnohem vyšší než u běžných polovodičových materiálů, jako je Si, má trojrozměrný induktor TGV lepší izolační vlastnosti a vložný útlum způsobený parazitním efektem substrátu při vysokých frekvencích je mnohem menší než u konvenční trojrozměrný induktor TSV.
Na druhé straně, kondenzátory kov-izolátor-kov (MIM) mohou být také vyrobeny na skleněném substrátu IPD pomocí procesu nanášení tenkého filmu a propojeny s trojrozměrným induktorem TGV za účelem vytvoření trojrozměrné pasivní filtrační struktury. Proto má proces IPD široký aplikační potenciál pro vývoj nových trojrozměrných pasivních zařízení.
Čas odeslání: 12. listopadu 2024