By Cadence
本文要點
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3D 積體電路需要一種方法來連接封裝中垂直堆疊的多個裸片 |
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由此，與製造工藝相匹配的矽通孔 (Through-Silicon Vias，TSV) 設計應運而生 |
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矽通孔設計有助於實現更先進的封裝能力，可以在封裝的不同部分混用不同的通孔設計 |
3D 積體電路或 2.5D 封裝方法，以及新的處理器和 ASIC，都依賴於以某種方式來連接封裝上相互堆疊的裸片。矽通孔是一種主要的互連技術，用於在 2.5D/3D 封裝中通過中介層 (interposer)、基板、電源和堆疊的裸片間提供電氣連接。這些通孔提供了與 PCB 中相同的互連功能，但設計方法完全不一樣，需要根據它們在製造過程中的不同來設計。
如今，現代積體電路較常使用單一樣式的矽通孔，這是因為用於沿裸片堆疊形成互連的沉積工藝較難實現。儘管在實現方面沒有太多的靈活性，但矽通孔使 2.5D 封裝和堆疊式積體電路的規模逐步縮小，在 bump 數量增多的情況下，使其尺寸減小。在我們為設計選擇矽通孔樣式之前，需要考慮製造工藝以及矽通孔為製造帶來的困難。
矽通孔設計
3D 整合封裝基於裸片與中介層之間的垂直互連
矽通孔有三種設計樣式，用於連接中介層上堆疊的 3D 裸片，需要根據製造過程中的實現情況來選擇這些疊層結構(疊構)。矽通孔結構一般用於整合了疊構邏輯和記憶體的 2.5D/3D 整合系統級封裝。由於高頻寬記憶體佔用了大量的封裝基板面積，針對這些部分使用矽通孔有諸多好處，可以沿著垂直的疊構提供裸片之間的連接。
在 3D 積體電路中使用
矽通孔可以放置在 3D 積體電路中使用的裸片- 裸片/裸片- 晶圓工藝中，以定義通過基板和 I/O 的連接。下圖是以三種樣式實現的矽通孔截面示意圖。在這些圖中，通孔提供了一個長的垂直連接，橫跨基板，並可能進入多個裸片層。
矽通孔的先通孔、中通孔和後通孔工藝
3D 積體電路中的矽通孔可以採用三種方法進行設計和放置：
1. 先通孔 (Via-first)：
先形成通孔，然後再將元件或鍵合裸片擺放在中介層上。首先，在通孔中沉積金屬，然後覆蓋結構的頂部。堆疊裸片之間的金屬化連接用於接觸基板層並完成與矽通孔的連接。
2. 中通孔 (Via-middle)：
放置通孔需要在金屬化之前、擺放電路之後進行。在堆疊過程中，通孔結構要達到不同的層，並提供層之間的連接。盲孔、埋孔和通孔版本的矽通孔可以在這個過程中輕鬆放置。
3. 後通孔 (Via-last)：
顧名思義，通孔是在堆疊和金屬化之後形成的，也叫做背面矽通孔。在這個過程中，將一個長的通孔結構沿著封裝放置並穿過基板。該過程不影響金屬化，也不需要在晶圓減薄過程中納入顯現 (reveal) 工藝。
用於在矽片上形成這些矽通孔的主要活性離子蝕刻工藝，是使用六氟化硫 (SF6) 和 C4F8 鈍化的 Bosch 蝕刻工藝。雖然非常大的孔可以由蝕刻掩膜定義並通過這種工藝形成，但蝕刻率對孔的長寬比非常敏感。在蝕刻之後，利用銅的電化學沉積來形成種子層，並透過電鍍堆積出孔的結構。
在中介層和晶圓級封裝中使用
矽通孔也可用于中介層，將多個晶片或堆疊的裸片連接成 2.5D 封裝。擺放在中介層上的單個晶片可以是單片積體電路或矽上堆疊裸片，每個都有自己的矽通孔。這些堆疊的元件也可以是細間距 BGA / 倒裝晶片封裝中的非標準元件，直接粘合在中介層的金屬焊盤上。然後，中介層利用倒裝晶片 bump 安裝到封裝基板上，如下圖所示。
矽中介層上的 2.5D 整合封裝
中介層中矽通孔的製造工藝與單片或裸片堆疊 3D 積體電路 (見上文) 的製造工藝基本相同，涉及類似的蝕刻和堆積工藝。這種工藝也可以直接在晶片的晶圓上製造通孔和形成封裝，稱為晶圓級封裝。然後，這些晶圓級封裝可以粘合到異構 3D 積體電路上，或者可以形成 bump，直接安裝到 2.5D 封裝中使用的中介層上。
矽通孔對訊號完整性有何影響
按照積體電路的尺寸標準，矽通孔的結構非常大，並且長寬比較高，因此在選擇矽通孔時要格外關注成本，因為這些大型結構需要更長的加工時間。此外，其直徑可以達到幾微米，且可能帶有扇形輪廓，因此容易帶來可靠性問題。然而，儘管製造複雜性有所增加，但考慮到訊號和電源完整性，依然利大於弊，包括：
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電源損耗更低，因為矽通互連比水平通道要短。 |
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沿著互連長度的寄生效應更小。 |
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由於寄生電容更少，訊號轉換更快。 |
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對繼續進行 3D 整合和異質整合來說是十分必要的。 |
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