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 ožičenja na tiskanoj ploči (PCB) i podloga ploče integriranog kruga (IC) odgovara), paket modula s više čipova (MCM, koji može integrirati heterogene čipove), paket razine pločice (WLP, uključujući fan-out wafer level paket (FOWLP), mikro komponente za površinsku montažu (microSMD) itd.), trodimenzionalni paket (micro bump interconnect paket, TSV interconnect paket itd.), sistemski paket (SIP), čip sustav (SOC).
Oblici 3D pakiranja uglavnom se dijele u tri kategorije: ukopani tip (ukopavanje uređaja u višeslojno ožičenje ili ukopan u supstrat), tip aktivnog supstrata (integracija silikonske pločice: prvo integrirajte komponente i supstrat pločice kako biste formirali aktivnu podlogu ; zatim rasporedite višeslojne vodove za međusobno povezivanje i sastavite druge čipove ili komponente na gornjem sloju) i naslagani tip (silicij). pločice naslagane silicijskim pločicama, čipovi naslagani silikonskim pločicama i čipovi naslagani čipovima).
Metode 3D međusobnog povezivanja uključuju žičano spajanje (WB), flip chip (FC), kroz silicij (TSV), film vodič, itd.
TSV ostvaruje vertikalnu povezanost između čipova. Budući da vertikalni vod za međusobno povezivanje ima najkraću udaljenost i veću čvrstoću, lakše je ostvariti minijaturizaciju, visoku gustoću, visoku izvedbu i višenamjensko pakiranje heterogene strukture. Istodobno, također može međusobno povezati čipove od različitih materijala;
trenutno postoje dvije vrste proizvodnih tehnologija mikroelektronike koje koriste TSV proces: trodimenzionalno pakiranje krugova (3D IC integracija) i trodimenzionalno silikonsko pakiranje (3D Si integracija).
Razlika između ova dva oblika je u tome što:
(1) Pakiranje 3D sklopa zahtijeva da elektrode čipa budu pripremljene u izbočine, a izbočine su međusobno povezane (povezane spajanjem, fuzijom, zavarivanjem itd.), dok je 3D pakiranje od silicija izravna međusobna veza između čipova (veza između oksida i Cu -Cu veza).
(2) Tehnologija integracije 3D sklopova može se postići povezivanjem između pločica (3D pakiranje sklopa, 3D silikonsko pakiranje), dok se spajanje čip-na-čip i spajanje čip-na-ploču može postići samo pakiranjem 3D sklopa.
(3) Postoje praznine između čipova integriranih postupkom pakiranja 3D sklopa, a potrebno je popuniti dielektrične materijale kako bi se prilagodila toplinska vodljivost i koeficijent toplinskog širenja sustava kako bi se osigurala stabilnost mehaničkih i električnih svojstava sustava; nema razmaka između čipova integriranih postupkom 3D silikonskog pakiranja, a potrošnja energije, volumen i težina čipa su mali, a električna izvedba izvrsna.
TSV proces može konstruirati vertikalni put signala kroz supstrat i spojiti RDL na vrhu i dnu supstrata kako bi se formirao trodimenzionalni put vodiča. Stoga je TSV proces jedan od važnih temelja za konstrukciju trodimenzionalne strukture pasivnog uređaja.
Prema redoslijedu između prednjeg kraja linije (FEOL) i zadnjeg kraja linije (BEOL), TSV proces može se podijeliti u tri glavna proizvodna procesa, naime, preko prvog (ViaFirst), preko srednjeg (Via Middle) i putem zadnjeg (Via Last) procesa, kao što je prikazano na slici.
1. Postupkom jetkanja
Proces jetkanja ključ je za proizvodnju TSV strukture. Odabir prikladnog postupka jetkanja može učinkovito poboljšati mehaničku čvrstoću i električna svojstva TSV-a, a dodatno se odnosi na ukupnu pouzdanost TSV trodimenzionalnih uređaja.
Trenutačno postoje četiri glavna toka TSV-a putem procesa jetkanja: Duboko reaktivno ionsko jetkanje (DRIE), mokro jetkanje, foto-potpomognuto elektrokemijsko jetkanje (PAECE) i lasersko bušenje.
(1) Duboko reaktivno ionsko jetkanje (DRIE)
Duboko reaktivno ionsko jetkanje, poznato i kao DRIE proces, najčešće je korišteni postupak TSV jetkanja, koji se uglavnom koristi za realizaciju TSV putem struktura s visokim omjerom širine i visine. Tradicionalni procesi jetkanja plazmom općenito mogu postići samo dubinu jetkanja od nekoliko mikrona, uz nisku stopu jetkanja i nedostatak selektivnosti maske za jetkanje. Bosch je na temelju toga napravio odgovarajuća poboljšanja procesa. Korištenjem SF6 kao reaktivnog plina i oslobađanjem plina C4F8 tijekom procesa jetkanja kao zaštite od pasivizacije bočnih stijenki, poboljšani DRIE postupak prikladan je za jetkanje otvora visokog omjera. Stoga se naziva i Bosch proces po svom izumitelju.
Donja slika je fotografija visokog omjera širine i visine slike formirane graviranjem DRIE procesom.
Iako se DRIE proces naširoko koristi u TSV procesu zbog svoje dobre upravljivosti, njegov nedostatak je što je bočna ploština loša i stvaraju se defekti u obliku nabora. Ovaj nedostatak je značajniji kod graviranja otvora visokog omjera.
(2) Mokro jetkanje
Mokro jetkanje koristi kombinaciju maske i kemijskog jetkanja za jetkanje kroz rupe. Najčešće korištena otopina za jetkanje je KOH, koja može nagrizati mjesta na silicijskoj podlozi koja nisu zaštićena maskom, čime se formira željena struktura kroz rupe. Mokro jetkanje je najraniji razvijeni postupak jetkanja kroz rupu. Budući da su njegovi procesni koraci i potrebna oprema relativno jednostavni, prikladan 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 silicijske pločice, čineći urezani otvor nevertikalnim, ali pokazujući jasan fenomen širokog vrha i uskog dna. Ovaj nedostatak ograničava primjenu mokrog jetkanja u proizvodnji TSV.
(3) Foto-potpomognuto elektrokemijsko jetkanje (PAECE)
Osnovno načelo foto-potpomognutog elektrokemijskog jetkanja (PAECE) je korištenje ultraljubičastog svjetla za ubrzavanje generiranja parova elektron-rupa, čime se ubrzava proces elektrokemijskog jetkanja. U usporedbi s naširoko korištenim DRIE postupkom, PAECE postupak je prikladniji za jetkanje ultravelikih struktura kroz rupe s omjerom širine i visine većim od 100:1, ali njegov nedostatak je što je mogućnost kontrole 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 fizikalna metoda. Uglavnom koristi visokoenergetsko lasersko zračenje za topljenje i isparavanje materijala supstrata u navedenom području kako bi se fizički ostvarila konstrukcija TSV-a kroz otvor.
Prolazni otvor formiran laserskim bušenjem ima visok omjer širine i visine, a bočna stijenka je u osnovi okomita. Međutim, budući da lasersko bušenje zapravo koristi lokalno zagrijavanje za formiranje prolazne rupe, na zid rupe TSV-a negativno će utjecati toplinska oštećenja i smanjiti pouzdanost.
2. Proces taloženja sloja obloge
Još jedna ključna tehnologija za proizvodnju TSV-a je proces taloženja sloja obloge.
Proces taloženja sloja obloge izvodi se nakon što je prolazna rupa urezana. Taloženi sloj obloge općenito je oksid poput SiO2. Sloj obloge nalazi se između unutarnjeg vodiča TSV-a i podloge i uglavnom ima ulogu izolacije curenja istosmjerne struje. Osim taloženja oksida, slojevi barijere i klice također su potrebni za punjenje vodiča u sljedećem procesu.
Proizvedeni sloj obloge mora ispunjavati sljedeća dva osnovna zahtjeva:
(1) probojni napon izolacijskog sloja treba zadovoljiti stvarne radne zahtjeve TSV-a;
(2) naneseni slojevi su vrlo konzistentni i imaju dobru adheziju jedan na drugi.
Sljedeća slika prikazuje fotografiju sloja obloge nanesenog plazma poboljšanim kemijskim taloženjem iz pare (PECVD).
Proces taloženja potrebno je prilagoditi u skladu s različitim proizvodnim procesima TSV-a. Za postupak s prednjim otvorom, postupak taloženja na visokoj temperaturi može se koristiti za poboljšanje kvalitete oksidnog sloja.
Tipično visokotemperaturno taloženje može se temeljiti na tetraetil ortosilikatu (TEOS) u kombinaciji s postupkom toplinske oksidacije kako bi se formirao vrlo konzistentan visokokvalitetni SiO2 izolacijski sloj. Za proces srednjeg otvora i zadnjeg otvora, budući da je BEOL proces završen tijekom taloženja, potrebna je metoda niske temperature kako bi se osigurala kompatibilnost s BEOL materijalima.
Pod ovim uvjetima, temperatura taloženja treba biti ograničena na 450°, uključujući upotrebu PECVD za taloženje SiO2 ili SiNx kao izolacijskog sloja.
Još jedna uobičajena metoda je korištenje atomskog slojnog taloženja (ALD) za taloženje Al2O3 kako bi se dobio gušći izolacijski sloj.
3. Postupak metalnog punjenja
Proces punjenja TSV-om provodi se odmah nakon procesa taloženja obloge, što je još jedna ključna tehnologija koja određuje kvalitetu TSV-a.
Materijali koji se mogu puniti uključuju dopirani polisilicij, volfram, ugljikove nanocijevi itd., ovisno o procesu koji se koristi, ali je još uvijek najčešći galvanizirani bakar, jer je njegov proces zreo, a njegova električna i toplinska vodljivost su relativno visoke.
Prema razlici distribucije brzine galvanizacije u prolaznom otvoru, može se uglavnom podijeliti na subkonformne, konformne, superkonformne i metode galvanizacije odozdo prema gore, kao što je prikazano na slici.
Subkonformna galvanizacija se uglavnom koristila u ranoj fazi istraživanja TSV. Kao što je prikazano na slici (a), ioni Cu dobiveni elektrolizom koncentrirani su na vrhu, dok je dno nedovoljno nadopunjeno, što uzrokuje da je brzina galvanizacije na vrhu prolaznog otvora veća od one ispod vrha. Stoga će vrh prolazne rupe biti zatvoren unaprijed prije nego što se potpuno ispuni, a unutra će se formirati velika praznina.
Shematski dijagram i fotografija metode konformne galvanizacije prikazani su na slici (b). Osiguravanjem ravnomjernog dodavanja Cu iona, brzina galvanizacije na svakom položaju u otvoru je u osnovi ista, tako da će unutra ostati samo šav, a volumen šupljina je mnogo manji nego kod subkonformne metode galvanizacije, tako da naširoko se koristi.
Kako bi se dodatno postigao učinak punjenja bez praznina, predložena je metoda superkonformne galvanizacije za optimizaciju metode konformne galvanizacije. Kao što je prikazano na slici (c), kontroliranjem opskrbe Cu ionima, brzina punjenja na dnu je nešto veća od one na drugim pozicijama, čime se optimizira stepenasti gradijent stope punjenja od dna prema gore kako bi se potpuno eliminirao šav lijevo metodom konformne galvanizacije, kako bi se postiglo potpuno metalno bakreno punjenje bez praznina.
Metoda galvanizacije odozdo prema gore može se smatrati posebnim slučajem superkonformne metode. U ovom slučaju, stopa galvanizacije osim dna je potisnuta na nulu, a samo se galvanizacija postupno provodi od dna prema vrhu. Uz prednost konformne metode galvanizacije bez praznina, ova metoda također može učinkovito smanjiti ukupno vrijeme galvanizacije, pa je posljednjih godina naširoko proučavana.
4. Tehnologija RDL procesa
RDL proces nezaobilazna je osnovna tehnologija u procesu trodimenzionalnog pakiranja. Ovim se postupkom mogu proizvesti metalne međusobne veze s obje strane supstrata kako bi se postigla svrha preraspodjele priključaka ili međusobnog povezivanja između paketa. Stoga se RDL proces naširoko koristi u sustavima za pakiranje "fan-in-fan-out" ili 2.5D/3D.
U procesu izgradnje trodimenzionalnih uređaja, RDL proces se obično koristi za međusobno povezivanje TSV-a kako bi se ostvarile različite strukture trodimenzionalnih uređaja.
Trenutno postoje dva glavna RDL procesa. Prvi se temelji na fotoosjetljivim polimerima iu kombinaciji s procesima elektroplatiranja bakra i jetkanja; drugi se provodi korištenjem Cu Damascus procesa u kombinaciji s PECVD i postupkom kemijskog mehaničkog poliranja (CMP).
Sljedeće će predstaviti glavne procesne staze ova dva RDL-a.
RDL proces temeljen na fotoosjetljivom polimeru prikazan je na gornjoj slici.
Prvo se rotacijom nanosi sloj PI ili BCB ljepila na površinu pločice, a nakon zagrijavanja i stvrdnjavanja postupkom fotolitografije otvaraju se rupe na željenoj poziciji, a zatim se izvodi jetkanje. Zatim, nakon uklanjanja fotorezista, Ti i Cu se raspršuju na pločicu kroz proces fizičkog taloženja parom (PVD) kao sloj barijere, odnosno početni sloj. Zatim se proizvodi prvi sloj RDL-a na izloženom Ti/Cu sloju kombinacijom procesa fotolitografije i galvanizacije Cu, a zatim se fotorezist uklanja, a višak Ti i Cu se urezuje. Ponovite gornje korake za formiranje višeslojne RDL strukture. Ova se metoda trenutno sve više koristi u industriji.
Druga metoda za proizvodnju RDL uglavnom se temelji na procesu Cu Damask, koji kombinira PECVD i CMP procese.
Razlika između ove metode i RDL procesa temeljenog na fotoosjetljivom polimeru je u tome što se u prvom koraku proizvodnje svakog sloja, PECVD koristi za taloženje SiO2 ili Si3N4 kao izolacijskog sloja, a zatim se fotolitografijom i fotolitografijom oblikuje prozor na izolacijskom sloju. reaktivno ionsko jetkanje, a Ti/Cu barijera/sloj sjemena i bakar vodiča se raspršuju, a zatim se sloj vodiča stanji do tražene debljine CMP postupkom, odnosno formira se sloj RDL ili sloj kroz rupu.
Sljedeća slika je shematski dijagram i fotografija poprečnog presjeka višeslojnog RDL-a konstruiranog na temelju procesa Cu Damask. Može se primijetiti da je TSV prvo spojen na sloj kroz otvor V01, a zatim složen odozdo prema gore redoslijedom RDL1, sloj kroz otvor V12 i RDL2.
Svaki sloj RDL ili sloj kroz rupe se proizvodi u nizu u skladu s gornjom metodom.Budući da RDL proces zahtijeva korištenje CMP procesa, njegova je proizvodna cijena viša nego kod RDL procesa koji se temelji na fotoosjetljivom polimeru, pa je njegova primjena relativno niska.
5. Tehnologija IPD procesa
Za proizvodnju trodimenzionalnih uređaja, uz izravnu integraciju na čipu na MMIC, IPD proces pruža još jedan fleksibilniji tehnički put.
Integrirani pasivni uređaji, također poznati kao IPD proces, integriraju bilo koju kombinaciju pasivnih uređaja uključujući induktore na čipu, kondenzatore, otpornike, balunske pretvarače itd. na zasebnoj podlozi kako bi se formirala biblioteka pasivnih uređaja u obliku prijenosne ploče koja može biti fleksibilno nazvan prema zahtjevima dizajna.
Budući da se u procesu IPD-a pasivni uređaji proizvode i izravno integriraju na prijenosnu ploču, tijek procesa je jednostavniji i jeftiniji od integracije IC-ova na čipu i može se masovno proizvoditi unaprijed kao knjižnica pasivnih uređaja.
Za proizvodnju TSV trodimenzionalnih pasivnih uređaja, IPD može učinkovito nadoknaditi troškovni teret procesa trodimenzionalnog pakiranja uključujući TSV i RDL.
Osim troškovnih prednosti, 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. Uz dvije osnovne metode izravne integracije IPD-a u supstrat pakiranja kroz flip-chip proces kao što je prikazano na slici (a) ili proces spajanja kao što je prikazano na slici (b), drugi sloj IPD-a može se integrirati na jedan sloj IPD-a kako 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 izravno ukopavanje integriranog čipa na nju za izravnu izgradnju sustava pakiranja visoke gustoće.
Kada se koristi IPD za izradu trodimenzionalnih pasivnih uređaja, također se mogu koristiti TSV proces i RDL proces. Tijek procesa je u osnovi isti kao i gore spomenuta metoda integracije na čipu i neće se ponavljati; razlika je u tome što budući da se objekt integracije mijenja s čipa na adaptersku ploču, nema potrebe razmatrati utjecaj trodimenzionalnog procesa pakiranja na aktivno područje i sloj međusobnog povezivanja. Ovo dalje vodi do još jedne ključne fleksibilnosti IPD-a: različiti materijali supstrata mogu se fleksibilno odabrati prema zahtjevima dizajna pasivnih uređaja.
Materijali supstrata dostupni za IPD nisu samo uobičajeni poluvodički materijali supstrata kao što su Si i GaN, već i Al2O3 keramika, niskotemperaturna/visokotemperaturna ko-pečena keramika, staklene podloge itd. Ova značajka učinkovito proširuje fleksibilnost dizajna pasivnih uređaji koje integrira IPD.
Na primjer, trodimenzionalna struktura pasivnog induktora koju integrira IPD može koristiti staklenu podlogu za učinkovito poboljšanje performansi induktora. Za razliku od koncepta TSV, prolazne rupe napravljene na staklenoj podlozi nazivaju se i kroz staklene otvore (TGV). Fotografija trodimenzionalnog induktora proizvedenog na temelju IPD i TGV procesa prikazana je na slici ispod. Budući da je otpor staklenog supstrata puno veći od otpora konvencionalnih poluvodičkih materijala kao što je Si, TGV trodimenzionalni induktor ima bolja izolacijska svojstva, a uneseni gubitak uzrokovan parazitskim učinkom supstrata na visokim frekvencijama mnogo je manji od onog kod konvencionalni TSV trodimenzionalni induktor.
S druge strane, kondenzatori metal-izolator-metal (MIM) također se mogu proizvesti na IPD staklenoj podlozi postupkom taloženja tankog filma i međusobno povezati s TGV trodimenzionalnim induktorom kako bi se formirala trodimenzionalna struktura pasivnog filtera. Stoga IPD proces ima širok potencijal primjene za razvoj novih trodimenzionalnih pasivnih uređaja.
Vrijeme objave: 12. studenog 2024