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一、TSV 三維封裝技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀

隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電子器件的體積逐步減小，功能日益強大，成本也越來越低，極大地促進了電子產(chǎn)品在日常生活和生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。

反過來，電子器件的廣泛應(yīng)用，如物聯(lián)網(wǎng)、智能終端、工業(yè)智能化的興起，又對電子器件的高密度集成、多功能化和低功耗提出了更進一步的要求。

在摩爾定律時代，芯片尺寸的縮小是通過縮小線寬來實現(xiàn)的。而近年來，芯片線寬的縮小似乎已經(jīng)進入了一個瓶頸，芯片在平面上的尺寸縮小變得非常困難。實現(xiàn)多功能集成的片上系統(tǒng)（SoC，System on Chip）也面臨著尺寸擴大、互連太長而導(dǎo)致的諸多問題。

為了進一步滿足多功能化和高密度集成的要求，突破芯片尺寸的瓶頸，業(yè)內(nèi)開始從封裝方面尋求解決的辦法，各種先進封裝技術(shù)也因此應(yīng)運而生，包括系統(tǒng)性封裝（SiP，System in Package）、扇出型晶圓級封裝（FOWLP，F(xiàn)an-Out Wafer Level Packaging）、晶圓級封裝(WLCSP ，Wafer Level Chip Scale Packaging)、扇出型封裝（InFO，Integrated Fan-Out）以及硅通孔（TSV，Through Silicon Via）三維封裝技術(shù)等，如圖所示。

這些先進封裝技術(shù)的運用，可使芯片能夠在不改變原有線寬的基礎(chǔ)上，進一步減小體積、縮短互連、提升性能以及降低功耗。

TSV 三維封裝是通過 TSV 實現(xiàn)垂直方向多芯片互連的一種封裝技術(shù)，具有互連線短、集成密度高、功耗低等優(yōu)點，是最有望實現(xiàn)“超越摩爾”（More than Moore）戰(zhàn)略的封裝解決方案，也是先進封裝領(lǐng)域的研究熱點之一。

如圖所示，在傳統(tǒng)的二維封裝中，裸片與裸片之間的連接路徑要經(jīng)過打線鍵合、導(dǎo)線架甚至PCB布線等，距離很長，而在TSV三維封裝中，裸片之間的連接只要通過上下層的TSV或轉(zhuǎn)接板上的再布線層（RDL，Redistribution Layer）就能實現(xiàn)。

TSV三維封裝突破了平面集成的限制，顯著的縮短了互連長度，進而降低了互連線上損失的功耗，降低了信號的RC延時，能大幅提高芯片的集成度和性能。

雖然TSV技術(shù)近年來才成為研究的熱點，但是硅通孔概念的雛形在1956年就已經(jīng)出現(xiàn)。晶體管的發(fā)明者之一William Shockley在專利中提到了在晶圓上制作深通孔（deep pits）用以使信號從晶圓的一面?zhèn)鬏數(shù)搅硪幻妗?/span>

“Through silicon via” 這個術(shù)語則由Sergey Savastiouk在文章中最先提出。第一次將TSV技術(shù)用于量產(chǎn)商業(yè)化產(chǎn)品當(dāng)中的是惠普公司，其在1976年發(fā)布的單片微波集成電路（MMIC）產(chǎn)品中首次使用了貫穿IC芯片的通孔技術(shù)來實現(xiàn)接地，但這款產(chǎn)品中的TSV并不是用來實現(xiàn)三維封裝。業(yè)界普遍認(rèn)為，第一個量產(chǎn)的TSV三維封裝產(chǎn)品是東芝公司2008年生產(chǎn)的圖像傳感器，該傳感器使用了芯片上的通孔將傳感芯片上的信號引出到背面的基板。

TSV三維封裝的應(yīng)用也越來越廣泛，其應(yīng)用領(lǐng)域包括微機電系統(tǒng)（MEMS，Microelectromechanical Systems）、CMOS圖像傳感器（CIS，CMOS Image Sensor）、現(xiàn)場可編程邏輯陣列（FPGA，F(xiàn)ield Programmable Gate Array）、高帶寬內(nèi)存（HBM，High Bandwith Memery）等，如圖所示。

下圖是YOLE預(yù)測在接下來幾年，先進封裝在不同行業(yè)應(yīng)用增長情況：

 

二、TSV三維封裝技術(shù)的分類及優(yōu)缺點

TSV三維封裝技術(shù)通常分為兩類，一類是3D封裝，即通過微凸塊（microbump）和硅通孔連接上下層芯片，將多顆有源芯片在垂直方向上堆疊，如圖（a）所示。

3D封裝集成的可以是同質(zhì)芯片，比如多個快速閃存芯片的堆疊，也可以是異質(zhì)芯片，比如邏輯芯片、存儲芯片、RF芯片等集成一體形成系統(tǒng)。

另一類是2.5D封裝，即在無源的轉(zhuǎn)接板上排列多種同質(zhì)或異質(zhì)芯片，通過RDL和微凸塊實現(xiàn)各芯片間的電氣連接，并通過轉(zhuǎn)接板上的TSV將電源/信號引入轉(zhuǎn)接板背面，與封裝基板相連，如圖（b）所示。

TSV 3D封裝和2.5D封裝有各自的優(yōu)勢和缺點，適合于不同的制備工藝和應(yīng)用領(lǐng)域。

3D封裝通過TSV垂直連接多層芯片，可以實現(xiàn)芯片之間的最短連接。顯然，在目前的先進封裝技術(shù)當(dāng)中，它具有最高的集成密度、最小的體積、最低的功耗、最小的RC延時，為芯片設(shè)計者和制造商所青睞。

但是，3D封裝目前面臨的問題同樣很突出。

(1)散熱問題

3D封裝集成密度高，封裝中多個有源芯片緊密堆疊，熱量集中，非常不利于散熱，容易導(dǎo)致芯片結(jié)溫過高。

(2)熱機械可靠性問題

堆疊的各芯片之間由于熱膨脹系數(shù)不同、溫度不同會產(chǎn)生應(yīng)力，連接芯片之間的微凸塊上會形成高應(yīng)力點，容易產(chǎn)生失效。另外，TSV本身也會產(chǎn)生應(yīng)力，影響周圍晶體管的性能。

(3)良率問題

3D封裝工藝復(fù)雜，很多技術(shù)還不完全成熟，如晶圓減薄、薄晶圓持拿、TSV電鍍等，因此，相對于傳統(tǒng)封裝來說，制造良率不高。

(4)設(shè)計軟件開發(fā)

與3D結(jié)構(gòu)相應(yīng)的電子設(shè)計自動化（EDA，Electronics Design Automation）軟件還未普及，目前絕大多數(shù)EDA軟件都只適用于二維結(jié)構(gòu)。

(5)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈還不成熟

例如，缺乏成熟的測試方法和設(shè)備，需要已知合格芯片（KGD，Know Good Die）供應(yīng)商的整合等。

2.5D封裝采用帶TSV的無源轉(zhuǎn)接板來承載有源芯片，雖然在減小互連長度、提高集成密度方面略遜于3D封裝，但其獨特的優(yōu)勢使得2.5D封裝能緩解上述問題，成為目前最切實可行的三維封裝方案。

與3D封裝相比，其優(yōu)勢包括：

（1）能緩解芯片內(nèi)部的熱應(yīng)力

首先，搭載的有源芯片中并不需要有TSV，硅轉(zhuǎn)接板中雖然有TSV，但是沒有晶體管，不存在TSV應(yīng)力對晶體管影響的問題。其次，轉(zhuǎn)接板在有源芯片和封裝基底之間，能緩解有源芯片與封裝基底之間的熱失配，減小熱應(yīng)力。

（2）降低熱量累積

2.5D封裝的結(jié)構(gòu)避免了有源芯片的堆疊，減小了熱流密度，且無源的硅轉(zhuǎn)接板可以增加熱量在芯片內(nèi)水平方向的傳導(dǎo)，增強芯片的散熱，降低芯片熱集中點的溫度。

（3）設(shè)計和集成的方式更靈活

3D封裝中，堆疊的芯片通常要求采用統(tǒng)一的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和工藝標(biāo)準(zhǔn)（包括線寬、節(jié)距等），避免堆疊的不匹配，而2.5D封裝中，可以將不同功能、不同生產(chǎn)商生產(chǎn)的不同標(biāo)準(zhǔn)的芯片集成在一起。

（4）與現(xiàn)有IC工藝及封裝工藝兼容性好

2.5D封裝中，承載的有源芯片可以是現(xiàn)有的普通芯片，不需打TSV孔，也不需另行設(shè)計。管殼的封裝也可使用現(xiàn)有的倒裝焊技術(shù)。在布線設(shè)計時，可將芯片及轉(zhuǎn)接板RDL布線當(dāng)做二維平面來看待，使用現(xiàn)有的EDA軟件。

（5）封裝方案可移植性好

3D封裝方案需要根據(jù)不同的應(yīng)用，對有源芯片進行重新設(shè)計，而一套成熟的2.5D轉(zhuǎn)接板集成封裝技術(shù)可很容易的移植到不同的應(yīng)用上，只要將轉(zhuǎn)接板的 RDL布線重新做設(shè)計，不需要對搭載的有源芯片做改動，可大大節(jié)省開發(fā)的時間和成本。

 

三、先進封裝的應(yīng)用

2.5D轉(zhuǎn)接板集成和3D封裝各有優(yōu)勢和劣勢，選擇哪種集成方式需要根據(jù)相應(yīng)工藝、搭載芯片類型等具體考慮。

例如，AMD公司在選擇新一代的三維封裝顯卡架構(gòu)時，可能的選擇有完全的3D堆疊，將顯存直接堆疊在顯卡核心芯片XPU（GPU或CPU）上，如圖（a）；或者2.5D封裝，通過硅轉(zhuǎn)接板將XPU與顯存集成，如圖（b）。

顯然，前一種方案能實現(xiàn)互聯(lián)更短，面積更小，但是最終AMD選擇的是硅轉(zhuǎn)接板集成方案。這樣選擇的可能是出于降低風(fēng)險的目的。首先，要在XPU上堆疊顯存，就必須在其上制作 TSV孔，這樣需要對XPU的架構(gòu)及工藝進行重新設(shè)計，加大了開發(fā)的風(fēng)險和成本。其次，顯存和XPU的功耗都不低，且其本身的28納米工藝也存在著發(fā)熱量巨大的問題，因此3D堆疊可能會導(dǎo)致非常嚴(yán)重的熱問題，影響器件的可靠性和性能。而2.5D封裝不需要對現(xiàn)有芯片進行改變，可直接使用現(xiàn)成的KGD，保證良率。

同時，硅轉(zhuǎn)接板對熱源進行了分散，緩解了各部件的熱失配問題。另外，在硅轉(zhuǎn)接板上，XPU和顯存的連接路徑雖比3D堆疊長一些，但是比起獨立封裝或者打線鍵合來說還是有了巨大的改進。因此，硅轉(zhuǎn)接板2.5D封裝是一種比較穩(wěn)妥的解決方案。

下圖是關(guān)于封裝的發(fā)展展望，可以預(yù)見接下來的幾年，先進封裝技術(shù)將得到質(zhì)的飛躍，且封裝形式也會越來越多樣。

后續(xù)的文章將介紹更多先進封裝的細(xì)節(jié)，這篇關(guān)于先進封裝簡單的介紹就就到這兒，歡迎關(guān)注《半導(dǎo)體全解》，后續(xù)將會介紹更多半導(dǎo)體的知識！

 

參考文獻：

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(3)©Yole Intelligence 2024 High End Performance Packaging 2024

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