Pakavimo technologija yra vienas iš svarbiausių procesų puslaidininkių pramonėje. Pagal pakuotės formą jį galima suskirstyti į lizdų paketą, paviršiaus montavimo paketą, BGA paketą, lusto dydžio paketą (CSP), vieno lusto modulio paketą (SCM, tarpą tarp laidų spausdintinės plokštės (PCB)). ir integrinių grandynų (IC) plokštės trinkelių atitikmenys), kelių lustų modulių paketas (MCM, kuris gali integruoti nevienalyčius lustus), plokštelių lygio paketas (WLP, įskaitant ventiliuojamo plokštelės lygio paketą (FOWLP), mikroschemų paketą paviršinio montavimo komponentai (microSMD) ir kt.), trimatis paketas (micro bump interconnect paketas, TSV sujungimo paketas ir kt.), sistemos paketas (SIP), lustų sistema (SOC).
3D pakuotės formos daugiausia skirstomos į tris kategorijas: užkastą tipą (įrenginio įkasimas į daugiasluoksnius laidus arba įkasamas į substratą), aktyvaus substrato tipą (silicio plokštelės integravimas: pirmiausia integruokite komponentus ir plokštelės pagrindą, kad susidarytų aktyvus substratas tada sutvarkykite daugiasluoksnes sujungimo linijas ir surinkite kitus lustus arba komponentus ant viršutinio sluoksnio) ir sukrauti (sukrauti silicio plokšteles); silicio plokštelės, lustai, sukrauti su silicio plokštelėmis, ir lustai, sukrauti su lustais).
3D sujungimo metodai apima laidų sujungimą (WB), atverčiamą lustą (FC), per silicį (TSV), plėvelinį laidininką ir kt.
TSV realizuoja vertikalų sujungimą tarp lustų. Kadangi vertikali sujungimo linija turi trumpiausią atstumą ir didesnį stiprumą, lengviau įgyvendinti miniatiūrizaciją, didelį tankį, didelį našumą ir daugiafunkcinę nevienalytės struktūros pakuotę. Tuo pačiu metu jis taip pat gali sujungti skirtingų medžiagų lustus;
šiuo metu yra dviejų tipų mikroelektronikos gamybos technologijos, kuriose naudojamas TSV procesas: trimatė grandinės pakuotė (3D IC integracija) ir trimatė silicio pakuotė (3D Si integracija).
Skirtumas tarp dviejų formų yra toks:
(1) 3D grandinės pakuotėje reikalaujama, kad lustų elektrodai būtų paruošti į iškilimus, o nelygumai būtų tarpusavyje sujungti (sujungiami, suliejant, suvirinant ir pan.), o 3D silicio pakuotė yra tiesioginė lustų sujungimas (sujungimas tarp oksidų ir Cu - Cu sujungimas).
(2) 3D grandinės integravimo technologiją galima pasiekti sujungiant plokšteles (3D grandinės pakuotę, 3D silicio pakuotę), o lustų sujungimas ir lustų sujungimas su plokštelėmis gali būti pasiektas tik naudojant 3D grandinę.
(3) tarp lustų, integruotų 3D grandinės pakavimo procesu, yra tarpų, o dielektrines medžiagas reikia užpildyti, kad būtų galima sureguliuoti sistemos šilumos laidumą ir šiluminio plėtimosi koeficientą, kad būtų užtikrintas sistemos mechaninių ir elektrinių savybių stabilumas; tarp lustų, integruotų naudojant 3D silicio pakavimo procesą, nėra tarpų, o lusto energijos suvartojimas, tūris ir svoris yra nedideli, o elektrinis veikimas yra puikus.
TSV procesas gali nutiesti vertikalų signalo kelią per substratą ir sujungti RDL pagrindo viršuje ir apačioje, kad susidarytų trimatis laidininko kelias. Todėl TSV procesas yra vienas iš svarbių kertinių akmenų kuriant trimačio pasyvaus įrenginio struktūrą.
Pagal tvarką tarp priekinės linijos dalies (FEOL) ir užpakalinės linijos dalies (BEOL), TSV procesą galima suskirstyti į tris pagrindinius gamybos procesus, būtent per pirmąjį (ViaFirst), per vidurį (Via Middle) ir per paskutinį (Via Last) procesą, kaip parodyta paveikslėlyje.
1. Per ėsdinimo procesą
ėsdinimo procesas yra TSV struktūros gamybos pagrindas. Pasirinkus tinkamą ėsdinimo procesą, galima efektyviai pagerinti TSV mechaninį stiprumą ir elektrines savybes bei dar labiau susieti su bendru TSV trimačių įrenginių patikimumu.
Šiuo metu yra keturi pagrindiniai TSV ėsdinimo procesai: gilus reaktyvus jonų ėsdinimas (DRIE), šlapiasis ėsdinimas, fotopagalbinis elektrocheminis ėsdinimas (PAECE) ir gręžimas lazeriu.
(1) Giliai reaktyvusis jonų ėsdinimas (DRIE)
Giliai reaktyvusis jonų ėsdinimas, taip pat žinomas kaip DRIE procesas, yra dažniausiai naudojamas TSV ėsdinimo procesas, kuris daugiausia naudojamas realizuoti TSV per struktūras su dideliu formatu. Tradiciniais plazminio ėsdinimo procesais paprastai galima pasiekti tik kelių mikronų ėsdinimo gylį, esant mažam ėsdinimo greičiui ir ėsdinimo kaukės selektyvumo trūkumui. Tuo pagrindu Bosch atitinkamai patobulino procesą. Naudojant SF6 kaip reaktyviąsias dujas ir išskiriant C4F8 dujas ėsdinimo proceso metu kaip šoninių sienelių apsaugą nuo pasyvumo, patobulintas DRIE procesas tinka ėsdinti didelio formato santykio perėjimus. Todėl jo išradėjo vardu jis dar vadinamas Bosch procesu.
Žemiau esančiame paveikslėlyje parodytas didelio formato santykis, gautas ėsdinant DRIE procesą.
Nors DRIE procesas plačiai naudojamas TSV procese dėl savo gero valdomumo, jo trūkumas yra tas, kad šoninės sienelės lygumas yra menkas ir susiformuos šukutės formos raukšlių defektai. Šis defektas yra reikšmingesnis, kai ėsdinami didelio formato santykio perėjimai.
(2) Šlapias ėsdinimas
Drėgnasis ėsdinimas naudoja kaukės ir cheminio ėsdinimo derinį, kad išgraviruotų skyles. Dažniausiai naudojamas ėsdinimo tirpalas yra KOH, kuris gali išgraviruoti silicio pagrindo vietas, kurių neapsaugo kaukė, taip suformuodamas norimą skylės struktūrą. Šlapias ėsdinimas yra ankstyviausias sukurtas ėsdinimo per skylę procesas. Kadangi proceso etapai ir reikalinga įranga yra gana paprasti, jis tinka masinei TSV gamybai už mažą kainą. Tačiau jo cheminis ėsdinimo mechanizmas lemia, kad šiuo metodu suformuotą kiaurymę paveiks silicio plokštelės kristalinė orientacija, todėl išgraviruota skylė nebus vertikali, tačiau aiškiai matomas platus viršus ir siauras dugnas. Šis defektas riboja šlapiojo ėsdinimo taikymą TSV gamyboje.
(3) Fotografinis elektrocheminis ėsdinimas (PAECE)
Pagrindinis fotopagalbinio elektrocheminio ėsdinimo (PAECE) principas yra naudoti ultravioletinę šviesą, kad būtų paspartintas elektronų ir skylių porų susidarymas, taip paspartinant elektrocheminio ėsdinimo procesą. Palyginti su plačiai naudojamu DRIE procesu, PAECE procesas labiau tinka ėsdinti itin didelio formato santykio kiaurymes struktūras, didesnes nei 100:1, tačiau jo trūkumas yra tas, kad ėsdinimo gylio valdymas yra silpnesnis nei DRIE, o jo technologija gali reikalauja tolesnių tyrimų ir proceso tobulinimo.
(4) Gręžimas lazeriu
Skiriasi nuo pirmiau minėtų trijų metodų. Gręžimo lazeriu metodas yra grynai fizinis metodas. Jis daugiausia naudoja didelės energijos lazerinį švitinimą, kad išlydytų ir išgarintų substrato medžiagą nurodytoje srityje, kad būtų galima fiziškai realizuoti TSV skylę.
Lazeriniu gręžimu suformuotos skylės kraštinių santykis yra didelis, o šoninė sienelė iš esmės yra vertikali. Tačiau kadangi gręžiant lazeriu iš tikrųjų naudojamas vietinis šildymas, kad būtų suformuota kiaurymė, TSV skylės sienelę neigiamai paveiks šiluminė žala ir sumažės patikimumas.
2. Pamušalo sluoksnio nusodinimo procesas
Kita pagrindinė TSV gamybos technologija yra įdėklo sluoksnio nusodinimo procesas.
Įdėklo sluoksnio nusodinimo procesas atliekamas po to, kai išgraviruota skylė. Nusodintas įdėklo sluoksnis paprastai yra oksidas, toks kaip SiO2. Įdėklo sluoksnis yra tarp vidinio TSV laidininko ir pagrindo ir daugiausia atlieka nuolatinės srovės nuotėkio izoliavimo vaidmenį. Be oksido nusodinimo, užtvaros ir sėklų sluoksniai taip pat reikalingi laidininko užpildymui kitame procese.
Pagamintas įdėklo sluoksnis turi atitikti šiuos du pagrindinius reikalavimus:
(1) izoliacinio sluoksnio gedimo įtampa turėtų atitikti faktinius TSV darbo reikalavimus;
(2) nusodinti sluoksniai yra labai nuoseklūs ir gerai sukimba vienas su kitu.
Toliau pateiktame paveikslėlyje parodyta pamušalo sluoksnio, nusodinto naudojant plazmos sustiprintą cheminį garų nusodinimą (PECVD), nuotrauka.
Nusodinimo procesą reikia atitinkamai pritaikyti skirtingiems TSV gamybos procesams. Norint pagerinti oksido sluoksnio kokybę, galima naudoti aukštos temperatūros nusodinimo procesą priekinėje skylėje.
Įprastas aukštos temperatūros nusodinimas gali būti pagrįstas tetraetilortosilikatu (TEOS) kartu su terminės oksidacijos procesu, kad susidarytų labai nuoseklus aukštos kokybės SiO2 izoliacinis sluoksnis. Kadangi BEOL procesas buvo baigtas nusodinimo metu, norint užtikrinti suderinamumą su BEOL medžiagomis, reikalingas žemos temperatūros metodas.
Esant tokioms sąlygoms, nusodinimo temperatūra turėtų būti apribota iki 450°, įskaitant PECVD naudojimą SiO2 arba SiNx nusodinimui kaip izoliaciniam sluoksniui.
Kitas įprastas metodas yra atominio sluoksnio nusodinimas (ALD) Al2O3 nusodinimui, kad būtų gautas tankesnis izoliacinis sluoksnis.
3. Metalo užpildymo procesas
TSV užpildymo procesas atliekamas iškart po įdėklo nusodinimo proceso, o tai yra dar viena pagrindinė technologija, lemianti TSV kokybę.
Medžiagos, kurias galima užpildyti, yra legiruotas polisilicis, volframas, anglies nanovamzdeliai ir tt, priklausomai nuo naudojamo proceso, tačiau labiausiai paplitęs vis dar yra galvanizuotas varis, nes jo procesas yra brandus, o jo elektrinis ir šilumos laidumas yra gana didelis.
Pagal jo galvanizavimo greičio pasiskirstymo skirtumą angoje, jį daugiausia galima suskirstyti į subkonforminį, konforminį, superkonforminį ir iš apačios į viršų galvanizavimo metodus, kaip parodyta paveikslėlyje.
Subkonforminis galvanizavimas daugiausia buvo naudojamas ankstyvoje TSV tyrimų stadijoje. Kaip parodyta a paveiksle, elektrolizės metu gaunami Cu jonai yra koncentruoti viršuje, o dugnas yra nepakankamai papildytas, todėl galvanizavimo greitis perėjimo skylės viršuje yra didesnis nei žemiau viršaus. Todėl perėjimo angos viršus bus iš anksto uždarytas, kol jis visiškai neužpildytas, o viduje susidarys didelė tuštuma.
Konforminio galvanizavimo metodo schema ir nuotrauka parodyta b paveiksle. Užtikrinus vienodą Cu jonų papildymą, galvanizavimo greitis kiekvienoje perėjimo skylės padėtyje iš esmės yra vienodas, todėl viduje liks tik siūlė, o tuštumos tūris yra daug mažesnis nei naudojant subkonforminį galvanizavimo metodą, todėl jis plačiai naudojamas.
Siekiant dar labiau pasiekti užpildymo be tuštumų efektą, buvo pasiūlytas superkonforminio galvanizavimo metodas, siekiant optimizuoti konforminį galvanizavimo metodą. Kaip parodyta c paveiksle, kontroliuojant Cu jonų tiekimą, užpildymo greitis apačioje yra šiek tiek didesnis nei kitose padėtyse, todėl optimizuojamas užpildymo greičio gradientas iš apačios į viršų, kad visiškai pašalintų kairę siūlę. konforminiu galvanizavimo metodu, kad būtų pasiektas visiškai be tuštumų metalo vario užpildymas.
Galvanizacijos iš apačios į viršų metodas gali būti laikomas ypatingu superkonforminio metodo atveju. Tokiu atveju galvanizavimo greitis, išskyrus dugną, sumažinamas iki nulio, o tik galvanizavimas palaipsniui atliekamas iš apačios į viršų. Be tuštumų neturinčio konforminio galvanizavimo metodo pranašumo, šis metodas taip pat gali veiksmingai sumažinti bendrą galvanizavimo laiką, todėl pastaraisiais metais jis buvo plačiai ištirtas.
4. RDL proceso technologija
RDL procesas yra nepakeičiama pagrindinė trimačio pakavimo technologija. Šio proceso metu abiejose pagrindo pusėse gali būti pagamintos metalinės jungtys, kad būtų pasiektas prievadų perskirstymo arba sujungimo tarp paketų tikslas. Todėl RDL procesas plačiai naudojamas fan-in-fan-out arba 2.5D/3D pakavimo sistemose.
Kuriant trimačius įrenginius, RDL procesas paprastai naudojamas TSV sujungti, kad būtų galima realizuoti įvairias trimačių įrenginių struktūras.
Šiuo metu yra du pagrindiniai RDL procesai. Pirmasis yra pagrįstas šviesai jautriais polimerais ir derinamas su vario galvanizavimo ir ėsdinimo procesais; kitas yra įgyvendinamas naudojant Cu Damascus procesą kartu su PECVD ir cheminio mechaninio poliravimo (CMP) procesu.
Toliau bus pristatyti pagrindiniai šių dviejų RDL proceso keliai.
RDL procesas, pagrįstas šviesai jautriu polimeru, parodytas aukščiau esančiame paveikslėlyje.
Pirmiausia ant plokštelės paviršiaus sukimosi būdu padengiamas PI arba BCB klijų sluoksnis, o po kaitinimo ir sukietėjimo fotolitografijos būdu atidaromos skylės norimoje padėtyje, o tada atliekamas ėsdinimas. Tada, pašalinus fotorezistą, Ti ir Cu purškiami ant plokštelės per fizinį garų nusodinimo procesą (PVD) atitinkamai kaip barjerinis sluoksnis ir sėklų sluoksnis. Tada pirmasis RDL sluoksnis gaminamas ant eksponuoto Ti / Cu sluoksnio, derinant fotolitografijos ir galvanizavimo Cu procesus, tada pašalinamas fotorezistas ir išgraviruojamas Ti ir Cu perteklius. Pakartokite aukščiau nurodytus veiksmus, kad sukurtumėte daugiasluoksnę RDL struktūrą. Šis metodas šiuo metu plačiau naudojamas pramonėje.
Kitas RDL gamybos būdas daugiausia pagrįstas Cu Damascus procesu, kuris sujungia PECVD ir CMP procesus.
Skirtumas tarp šio metodo ir RDL proceso, pagrįsto šviesai jautriu polimeru, yra tas, kad pirmajame kiekvieno sluoksnio gamybos etape PECVD naudojamas SiO2 arba Si3N4 nusodinimui kaip izoliacinis sluoksnis, o po to ant izoliacinio sluoksnio fotolitografijos būdu suformuojamas langas. reaktyvusis jonų ėsdinimas ir Ti/Cu barjeras/sėklų sluoksnis ir laidininko varis atitinkamai purškiami, o po to laidininko sluoksnis CMP praskiedžiamas iki reikiamo storio. procesas, tai yra, susidaro RDL arba per skylę sluoksnis.
Toliau pateiktame paveikslėlyje yra daugiasluoksnio RDL, sukurto remiantis Cu Damasco procesu, skerspjūvio schema ir nuotrauka. Galima pastebėti, kad TSV pirmiausia prijungiamas prie skylės sluoksnio V01, o po to sukraunamas iš apačios į viršų RDL1, per skylės sluoksnio V12 ir RDL2 tvarka.
Kiekvienas RDL arba kiauryminio sluoksnio sluoksnis gaminamas iš eilės pagal aukščiau pateiktą metodą.Kadangi RDL procesui reikia naudoti CMP procesą, jo gamybos sąnaudos yra didesnės nei RDL proceso, pagrįsto šviesai jautriu polimeru, todėl jo taikymas yra palyginti mažas.
5. IPD proceso technologija
Gaminant trimačius įrenginius, be tiesioginės integracijos į lustą MMIC, IPD procesas suteikia dar vieną lankstesnį techninį kelią.
Integruoti pasyvieji įrenginiai, taip pat žinomi kaip IPD procesas, integruoja bet kokį pasyviųjų įrenginių derinį, įskaitant lustinius induktorius, kondensatorius, rezistorius, baluninius keitiklius ir kt. ant atskiro pagrindo, kad sudarytų pasyviųjų įrenginių biblioteką perdavimo plokštės pavidalu, lanksčiai skambinti pagal projektavimo reikalavimus.
Kadangi IPD procese pasyvūs įrenginiai yra gaminami ir tiesiogiai integruojami į perdavimo plokštę, jo proceso eiga yra paprastesnė ir pigesnė nei IC integravimas į lustą ir gali būti iš anksto masiškai gaminamas kaip pasyviųjų įrenginių biblioteka.
TSV trimačių pasyviųjų įrenginių gamyboje IPD gali veiksmingai kompensuoti trimačių pakavimo procesų, įskaitant TSV ir RDL, sąnaudas.
Be išlaidų pranašumų, kitas IPD pranašumas yra didelis lankstumas. Vienas iš IPD lankstumo atsispindi įvairiuose integravimo metoduose, kaip parodyta paveikslėlyje žemiau. Be dviejų pagrindinių tiesioginio IPD integravimo į pakuotės pagrindą metodų, naudojant atverčiamo lusto procesą, kaip parodyta (a) paveiksle, arba klijavimo procesą, kaip parodyta (b) paveiksle, viename sluoksnyje galima integruoti kitą IPD sluoksnį. IPD, kaip parodyta c)–e) paveiksluose, kad būtų pasiektas platesnis pasyviųjų įrenginių derinių spektras.
Tuo pačiu metu, kaip parodyta f paveiksle, IPD galima toliau naudoti kaip adapterio plokštę, kad būtų galima tiesiogiai palaidoti integruotą lustą, kad būtų galima tiesiogiai sukurti didelio tankio pakavimo sistemą.
Naudojant IPD trimačiams pasyviems įrenginiams kurti, taip pat gali būti naudojamas TSV procesas ir RDL procesas. Proceso eiga iš esmės yra tokia pati kaip pirmiau minėtas lusto integravimo apdorojimo metodas ir nebus kartojamas; Skirtumas tas, kad integravimo objektas keičiamas iš lusto į adapterio plokštę, todėl nereikia atsižvelgti į trimačio pakavimo proceso įtaką aktyviajai zonai ir sujungimo sluoksniui. Tai dar labiau lemia dar vieną esminį IPD lankstumą: galima lanksčiai pasirinkti įvairias pagrindo medžiagas pagal pasyviųjų įrenginių projektavimo reikalavimus.
IPD galimos pagrindo medžiagos yra ne tik įprastos puslaidininkių substratų medžiagos, tokios kaip Si ir GaN, bet ir Al2O3 keramika, žemos/aukštos temperatūros bendrai deginama keramika, stiklo substratai ir kt. Ši savybė efektyviai išplečia pasyvaus dizaino lankstumą. IPD integruoti įrenginiai.
Pavyzdžiui, trimatė pasyviojo induktoriaus struktūra, integruota IPD, gali naudoti stiklo pagrindą, kad būtų veiksmingai pagerintas induktoriaus veikimas. Priešingai nei TSV koncepcija, ant stiklo pagrindo padarytos skylės taip pat vadinamos kiaurymėmis (TGV). Trimačio induktoriaus, pagaminto remiantis IPD ir TGV procesais, nuotrauka parodyta paveikslėlyje žemiau. Kadangi stiklo pagrindo varža yra daug didesnė nei įprastų puslaidininkinių medžiagų, tokių kaip Si, TGV trimatis induktyvumas pasižymi geresnėmis izoliacinėmis savybėmis, o įterpimo nuostoliai, kuriuos sukelia substrato parazitinis poveikis aukštais dažniais, yra daug mažesni nei Įprastas TSV trimatis induktorius.
Kita vertus, metalo-izoliatoriaus-metalo (MIM) kondensatoriai taip pat gali būti gaminami ant stiklo pagrindo IPD naudojant plonos plėvelės nusodinimo procesą ir sujungti su TGV trimačiu induktoriumi, kad būtų sudaryta trimatė pasyviojo filtro struktūra. Todėl IPD procesas turi platų pritaikymo potencialą kuriant naujus trimačius pasyvius įrenginius.
Paskelbimo laikas: 2024-11-12