Baliaca technológia je jedným z najdôležitejších procesov v polovodičovom priemysle. Podľa tvaru obalu ho možno rozdeliť na obal soketu, obal na povrchovú montáž, obal BGA, obal veľkosti čipu (CSP), obal s jedným čipom (SCM, medzera medzi vodičmi na doske plošných spojov (PCB) a podložka dosky s integrovaným obvodom (IC), balík modulov s viacerými čipmi (MCM, ktorý dokáže integrovať heterogénne čipy), balík na úrovni plátku (WLP, vrátane balíka na úrovni plátku s vejárom (FOWLP), súčiastky na mikro povrchovú montáž (microSMD) atď.), trojrozmerný balík (micro bump interconnect package, TSV interconnect package, atď.), systémový balík (SIP), čipový systém (SOC).
Formy 3D balenia sa delia hlavne do troch kategórií: zakopaný typ (zakopanie zariadenia do viacvrstvového vedenia alebo zakopanie v substráte), aktívny typ substrátu (integrácia kremíkového plátku: najprv integrujte komponenty a plátkový substrát, aby sa vytvoril aktívny substrát potom usporiadajte viacvrstvové prepojovacie linky a zostavte ďalšie čipy alebo komponenty na vrchnej vrstve) a vrstveného typu (kremíkové doštičky naskladané silikónovými doštičkami, čipy naskladané kremíkom; oblátky a lupienky naukladané lupienkami).
Metódy 3D prepojenia zahŕňajú drôtové spojenie (WB), flip chip (FC), cez kremík cez (TSV), filmový vodič atď.
TSV realizuje vertikálne prepojenie medzi čipmi. Pretože vertikálna prepojovacia linka má najkratšiu vzdialenosť a vyššiu pevnosť, je jednoduchšie realizovať miniaturizáciu, vysokú hustotu, vysoký výkon a multifunkčné balenie heterogénnej štruktúry. Zároveň môže prepájať aj čipy z rôznych materiálov;
v súčasnosti existujú dva typy technológií výroby mikroelektroniky využívajúce proces TSV: trojrozmerné balenie obvodov (3D IC integrácia) a trojrozmerné kremíkové balenie (3D Si integrácia).
Rozdiel medzi týmito dvoma formami je v tom, že:
(1) Balenie 3D obvodov vyžaduje, aby boli elektródy čipu pripravené na hrbolčeky a hrbolčeky sú vzájomne prepojené (spojené lepením, fúziou, zváraním atď.), zatiaľ čo 3D silikónové balenie je priamym prepojením medzi čipmi (spojenie medzi oxidmi a Cu - Cu väzba).
(2) Technológia integrácie 3D obvodov sa dá dosiahnuť spájaním medzi doštičkami (3D balenie obvodov, 3D silikónové balenie), zatiaľ čo spájanie čipov a čipov a čipov je možné dosiahnuť iba balením 3D obvodov.
(3) Medzi čipmi integrovanými v procese balenia 3D obvodu sú medzery a je potrebné vyplniť dielektrické materiály, aby sa upravila tepelná vodivosť a koeficient tepelnej rozťažnosti systému, aby sa zabezpečila stabilita mechanických a elektrických vlastností systému; medzi čipmi integrovanými procesom 3D silikónového balenia nie sú žiadne medzery a spotreba energie, objem a hmotnosť čipu sú malé a elektrický výkon je vynikajúci.
Proces TSV môže vytvoriť vertikálnu dráhu signálu cez substrát a spojiť RDL na vrchnej a spodnej strane substrátu, aby sa vytvorila trojrozmerná dráha vodiča. Preto je proces TSV jedným z dôležitých základných kameňov konštrukcie trojrozmernej pasívnej štruktúry zariadenia.
Podľa poradia medzi predným koncom linky (FEOL) a zadným koncom linky (BEOL) možno proces TSV rozdeliť do troch hlavných výrobných procesov, a to cez prvý (ViaFirst), cez stredný (Via Middle) a cez posledný (Via Last) proces, ako je znázornené na obrázku.
1. Prostredníctvom procesu leptania
Proces leptania via je kľúčom k výrobe štruktúry TSV. Výber vhodného procesu leptania môže účinne zlepšiť mechanickú pevnosť a elektrické vlastnosti TSV a ďalej súvisí s celkovou spoľahlivosťou trojrozmerných zariadení TSV.
V súčasnosti existujú štyri hlavné prúdy TSV prostredníctvom procesov leptania: hlboké reaktívne iónové leptanie (DRIE), mokré leptanie, fotoasistované elektrochemické leptanie (PAECE) a laserové vŕtanie.
(1) Hlboké reaktívne iónové leptanie (DRIE)
Hlboké reaktívne iónové leptanie, tiež známe ako proces DRIE, je najbežnejšie používaný proces leptania TSV, ktorý sa používa hlavne na realizáciu TSV prostredníctvom štruktúr s vysokým pomerom strán. Tradičné procesy plazmového leptania môžu vo všeobecnosti dosiahnuť iba hĺbku leptania niekoľko mikrónov, s nízkou rýchlosťou leptania a nedostatočnou selektivitou leptacej masky. Bosch na tomto základe urobil príslušné zlepšenia procesov. Použitím SF6 ako reaktívneho plynu a uvoľňovaním plynu C4F8 počas procesu leptania ako pasivačnej ochrany pre bočné steny je vylepšený proces DRIE vhodný na leptanie priechodov s vysokým pomerom strán. Preto sa mu hovorí aj Boschov proces podľa jeho vynálezcu.
Na obrázku nižšie je fotografia s vysokým pomerom strán vytvorená leptaním procesu DRIE.
Aj keď je proces DRIE široko používaný v procese TSV kvôli jeho dobrej ovládateľnosti, jeho nevýhodou je slabá rovinnosť bočnej steny a vznik vrások v tvare hrebeňa. Táto chyba je výraznejšia pri leptaní prekov s vysokým pomerom strán.
(2) Mokré leptanie
Mokré leptanie využíva kombináciu masky a chemického leptania na leptanie cez otvory. Najbežnejšie používaným leptacím roztokom je KOH, ktorý dokáže vyleptať polohy na silikónovom substráte, ktoré nie sú chránené maskou, čím sa vytvorí požadovaná štruktúra s priechodnými otvormi. Mokré leptanie je najskorší vyvinutý proces leptania cez dieru. Pretože jeho procesné kroky a požadované vybavenie sú relatívne jednoduché, je vhodný na hromadnú výrobu TSV s nízkymi nákladmi. Mechanizmus chemického leptania však určuje, že priechodný otvor vytvorený touto metódou bude ovplyvnený orientáciou kryštálov kremíkového plátku, čím sa vyleptaný priechodný otvor stane nevertikálnym, ale vykazuje jasný jav širokého vrchu a úzkeho dna. Táto chyba obmedzuje aplikáciu mokrého leptania pri výrobe TSV.
(3) Foto-asistované elektrochemické leptanie (PAECE)
Základným princípom foto-asistovaného elektrochemického leptania (PAECE) je použitie ultrafialového svetla na urýchlenie generovania párov elektrón-diera, čím sa urýchli proces elektrochemického leptania. V porovnaní so široko používaným procesom DRIE je proces PAECE vhodnejší na leptanie štruktúr s ultra veľkým pomerom strán väčších ako 100:1, ale jeho nevýhodou je, že ovládateľnosť hĺbky leptania je slabšia ako DRIE a jeho technológia môže vyžadujú ďalší výskum a zlepšovanie procesov.
(4) Laserové vŕtanie
Líši sa od troch vyššie uvedených metód. Metóda laserového vŕtania je čisto fyzikálna metóda. Používa hlavne vysokoenergetické laserové ožarovanie na roztavenie a odparenie materiálu substrátu v špecifikovanej oblasti, aby sa fyzicky realizovala konštrukcia TSV s priechodnými otvormi.
Priechodný otvor vytvorený laserovým vŕtaním má vysoký pomer strán a bočná stena je v podstate vertikálna. Keďže však laserové vŕtanie v skutočnosti využíva na vytvorenie priechodného otvoru lokálne zahrievanie, stena otvoru TSV bude negatívne ovplyvnená tepelným poškodením a zníži sa spoľahlivosť.
2. Proces nanášania krycej vrstvy
Ďalšou kľúčovou technológiou výroby TSV je proces nanášania krycej vrstvy.
Proces nanášania krycej vrstvy sa vykonáva po vyleptaní priechodného otvoru. Nanesená krycia vrstva je vo všeobecnosti oxid, ako je Si02. Vrstva vložky sa nachádza medzi vnútorným vodičom TSV a substrátom a zohráva hlavne úlohu izolácie úniku jednosmerného prúdu. Okrem nanášania oxidu sú v ďalšom procese potrebné aj bariérové a zárodočné vrstvy na plnenie vodičov.
Vyrobená krycia vrstva musí spĺňať tieto dve základné požiadavky:
(1) prierazné napätie izolačnej vrstvy by malo spĺňať skutočné pracovné požiadavky TSV;
(2) nanesené vrstvy sú vysoko konzistentné a majú dobrú vzájomnú priľnavosť.
Nasledujúci obrázok ukazuje fotografiu krycej vrstvy nanesenej plazmovým nanášaním z plynnej fázy (PECVD).
Proces nanášania je potrebné zodpovedajúcim spôsobom upraviť pre rôzne výrobné procesy TSV. Pre proces s predným priechodným otvorom možno na zlepšenie kvality vrstvy oxidu použiť proces nanášania pri vysokej teplote.
Typické vysokoteplotné nanášanie môže byť založené na tetraetylortosilikáte (TEOS) v kombinácii s procesom tepelnej oxidácie za vzniku vysoko konzistentnej vysokokvalitnej izolačnej vrstvy SiO2. Pre proces so stredným priechodným otvorom a zadným priechodným otvorom, keďže proces BEOL bol dokončený počas nanášania, je na zabezpečenie kompatibility s materiálmi BEOL potrebná nízkoteplotná metóda.
Za týchto podmienok by teplota nanášania mala byť obmedzená na 450°, vrátane použitia PECVD na nanášanie SiO2 alebo SiNx ako izolačnej vrstvy.
Ďalšou bežnou metódou je použitie atómovej vrstvy (ALD) na nanášanie Al2O3, aby sa získala hustejšia izolačná vrstva.
3. Proces kovového plnenia
Proces plnenia TSV sa vykonáva bezprostredne po procese nanášania vložky, čo je ďalšia kľúčová technológia, ktorá určuje kvalitu TSV.
Materiály, ktoré je možné plniť, zahŕňajú dopovaný polysilikón, volfrám, uhlíkové nanorúrky atď. v závislosti od použitého procesu, ale najbežnejším prúdom je stále galvanicky pokovovaná meď, pretože jej proces je zrelý a jej elektrická a tepelná vodivosť je relatívne vysoká.
Podľa distribučného rozdielu v rýchlosti galvanizácie v priechodnom otvore sa dá rozdeliť hlavne na subkonformné, konformné, superkonformné a metódy galvanizácie zdola nahor, ako je znázornené na obrázku.
Subkonformné galvanické pokovovanie sa využívalo hlavne v ranom štádiu výskumu TSV. Ako je znázornené na obrázku (a), ióny Cu poskytované elektrolýzou sú sústredené hore, zatiaľ čo spodná časť je nedostatočne doplnená, čo spôsobuje, že rýchlosť galvanizácie v hornej časti priechodného otvoru je vyššia ako pod hornou časťou. Preto sa horná časť priechodného otvoru pred úplným vyplnením vopred uzavrie a vo vnútri sa vytvorí veľká dutina.
Schematický diagram a fotografia metódy konformného galvanického pokovovania sú znázornené na obrázku (b). Zabezpečením rovnomerného doplnenia iónov Cu je rýchlosť galvanizácie v každej polohe v priechodnom otvore v podstate rovnaká, takže vo vnútri zostane len šev a objem dutín je oveľa menší ako pri subkonformnej metóde galvanizácie, takže je široko používaný.
Aby sa ďalej dosiahol efekt plnenia bez dutín, bola navrhnutá metóda superkonformného galvanického pokovovania na optimalizáciu metódy konformného galvanického pokovovania. Ako je znázornené na obrázku (c), riadením dodávky iónov Cu je rýchlosť plnenia v spodnej časti o niečo vyššia ako v iných polohách, čím sa optimalizuje stupňovitý gradient rýchlosti plnenia zdola nahor, aby sa úplne eliminoval ľavý šev. metódou konformného galvanického pokovovania, aby sa dosiahla kovová medená výplň úplne bez dutín.
Metódu galvanického pokovovania zdola nahor možno považovať za špeciálny prípad superkonformnej metódy. V tomto prípade je rýchlosť galvanizácie okrem spodnej časti potlačená na nulu a iba galvanizácia sa postupne vykonáva zdola nahor. Okrem výhody bez dutín konformnej metódy galvanického pokovovania môže táto metóda tiež účinne znížiť celkový čas galvanizácie, takže bola v posledných rokoch široko študovaná.
4. Procesná technológia RDL
Proces RDL je nepostrádateľnou základnou technológiou v procese trojrozmerného balenia. Prostredníctvom tohto procesu môžu byť vyrobené kovové prepojenia na oboch stranách substrátu, aby sa dosiahol účel prerozdelenia portov alebo vzájomného prepojenia medzi obalmi. Preto je proces RDL široko používaný v systémoch balenia typu fan-in-fan-out alebo 2,5D/3D.
V procese vytvárania trojrozmerných zariadení sa proces RDL zvyčajne používa na prepojenie TSV na realizáciu rôznych trojrozmerných štruktúr zariadení.
V súčasnosti existujú dva hlavné hlavné procesy RDL. Prvý je založený na fotosenzitívnych polyméroch a je kombinovaný s procesmi galvanizácie medi a leptania; druhý je realizovaný použitím Cu Damask procesu v kombinácii s PECVD a procesom chemicko-mechanického leštenia (CMP).
Nasleduje predstavenie hlavných procesných ciest týchto dvoch RDL.
Proces RDL založený na fotocitlivom polyméri je znázornený na obrázku vyššie.
Najprv sa na povrch plátku otáčaním nanesie vrstva PI alebo BCB lepidla a po zahriatí a vytvrdnutí sa použije fotolitografický proces na otvorenie otvorov v požadovanej polohe a následne sa vykoná leptanie. Potom, po odstránení fotorezistu, sa Ti a Cu naprášia na doštičku prostredníctvom procesu fyzického nanášania pár (PVD) ako bariérová vrstva a vrstva zárodkov. Ďalej sa prvá vrstva RDL vyrobí na exponovanej vrstve Ti/Cu kombináciou fotolitografie a galvanického pokovovania Cu procesov a potom sa fotorezist odstráni a prebytočný Ti a Cu sa odleptá. Opakujte vyššie uvedené kroky, aby ste vytvorili viacvrstvovú štruktúru RDL. Táto metóda je v súčasnosti v priemysle viac využívaná.
Ďalší spôsob výroby RDL je založený hlavne na procese Cu Damask, ktorý kombinuje procesy PECVD a CMP.
Rozdiel medzi touto metódou a procesom RDL založeným na fotosenzitívnom polyméri je v tom, že v prvom kroku výroby každej vrstvy sa PECVD použije na nanesenie SiO2 alebo Si3N4 ako izolačnej vrstvy a následne sa na izolačnej vrstve fotolitografiou vytvorí okienko. reaktívne iónové leptanie a Ti/Cu bariérová/zárodková vrstva a vodičová meď sa naprášia a potom sa vrstva vodiča stenčí na požadovanú hrúbku procesom CMP, tj. vytvorí sa vrstva RDL alebo vrstva s priechodnými otvormi.
Nasledujúci obrázok je schematický diagram a fotografia prierezu viacvrstvového RDL skonštruovaného na základe procesu Cu Damask. Je možné pozorovať, že TSV sa najskôr pripojí k vrstve s priechodnými otvormi V01 a potom sa naskladá zdola nahor v poradí RDL1, vrstva s priechodnými otvormi V12 a RDL2.
Každá vrstva RDL alebo vrstva s priechodnými otvormi sa vyrába postupne podľa vyššie uvedeného spôsobu.Pretože proces RDL vyžaduje použitie procesu CMP, jeho výrobné náklady sú vyššie ako výrobné náklady procesu RDL založeného na fotocitlivom polyméri, takže jeho použitie je relatívne nízke.
5. IPD procesná technológia
Na výrobu trojrozmerných zariadení poskytuje proces IPD okrem priamej integrácie na čipe na MMIC ďalšiu flexibilnejšiu technickú cestu.
Integrované pasívne zariadenia, tiež známe ako proces IPD, integrujú akúkoľvek kombináciu pasívnych zariadení vrátane induktorov na čipe, kondenzátorov, rezistorov, balunových konvertorov atď. na samostatnom substráte, aby vytvorili knižnicu pasívnych zariadení vo forme prenosovej dosky, ktorá môže byť flexibilne volané podľa konštrukčných požiadaviek.
Keďže v procese IPD sa pasívne zariadenia vyrábajú a priamo integrujú na prenosovú dosku, jeho procesný tok je jednoduchší a menej nákladný ako integrácia integrovaných obvodov na čipe a je možné ho vopred hromadne vyrábať ako knižnicu pasívnych zariadení.
Pre výrobu trojrozmerných pasívnych zariadení TSV môže IPD efektívne kompenzovať nákladovú záťaž trojrozmerných baliacich procesov vrátane TSV a RDL.
Okrem cenových výhod je ďalšou výhodou IPD jeho vysoká flexibilita. Jedna z flexibility IPD sa odráža v rôznych integračných metódach, ako je znázornené na obrázku nižšie. Okrem dvoch základných metód priamej integrácie IPD do substrátu obalu prostredníctvom procesu flip-chip, ako je znázornené na obrázku (a) alebo procesu spájania, ako je znázornené na obrázku (b), môže byť na jednu vrstvu integrovaná ďalšia vrstva IPD. IPD, ako je znázornené na obrázkoch (c) až (e), aby sa dosiahol širší rozsah kombinácií pasívnych zariadení.
Súčasne, ako je znázornené na obrázku (f), IPD môže byť ďalej použité ako doska adaptéra na priame zakopanie integrovaného čipu do neho, aby sa priamo vytvoril systém balenia s vysokou hustotou.
Pri použití IPD na zostavenie trojrozmerných pasívnych zariadení je možné použiť aj proces TSV a proces RDL. Priebeh procesu je v podstate rovnaký ako vyššie uvedený spôsob integrácie na čipe a nebude sa opakovať; rozdiel je v tom, že keďže sa objekt integrácie mení z čipu na dosku adaptéra, nie je potrebné zvažovať vplyv procesu trojrozmerného balenia na aktívnu oblasť a prepojovaciu vrstvu. To ďalej vedie k ďalšej kľúčovej flexibilite IPD: rôzne podkladové materiály možno flexibilne vyberať podľa konštrukčných požiadaviek pasívnych zariadení.
Substrátové materiály dostupné pre IPD nie sú len bežné polovodičové substrátové materiály ako Si a GaN, ale aj Al2O3 keramika, nízkoteplotná/vysokoteplotná spoluvypaľovaná keramika, sklenené substráty atď. Táto vlastnosť efektívne rozširuje konštrukčnú flexibilitu pasívnych zariadenia integrované pomocou IPD.
Napríklad trojrozmerná pasívna štruktúra induktora integrovaná pomocou IPD môže použiť sklenený substrát na efektívne zlepšenie výkonu induktora. Na rozdiel od konceptu TSV sa priechodné otvory vytvorené na sklenenom substráte nazývajú aj priechodné otvory cez sklo (TGV). Fotografia trojrozmerného induktora vyrobeného na základe procesov IPD a TGV je znázornená na obrázku nižšie. Pretože odpor skleneného substrátu je oveľa vyšší ako odpor konvenčných polovodičových materiálov, ako je Si, má trojrozmerný induktor TGV lepšie izolačné vlastnosti a strata vloženia spôsobená parazitným efektom substrátu pri vysokých frekvenciách je oveľa menšia ako u konvenčný trojrozmerný induktor TSV.
Na druhej strane, kondenzátory kov-izolátor-kov (MIM) môžu byť tiež vyrobené na sklenenom substráte IPD procesom nanášania tenkého filmu a prepojené s trojrozmerným induktorom TGV, aby sa vytvorila trojrozmerná pasívna filtračná štruktúra. Preto má proces IPD široký aplikačný potenciál na vývoj nových trojrozmerných pasívnych zariadení.
Čas uverejnenia: 12. novembra 2024