硅通孔技术TSV研究课件.ppt

1、TSVTSV的研究动态的研究动态发展状况TSV 的应用GaAs基TSV概述 硅通孔技术(TSV)是通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间互连的最新技术。TSV技术面临的难题：在价格与成本之间的极大障碍新技术的不确定性所隐含的风险实际的量产需求TSV的优势：缩小封装尺寸高频特性出色，减小传输延时降低噪声降低芯片功耗，TSV可将硅锗芯片的功耗降低大约40%热膨胀可靠性高 由于TSV能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大、芯片之间的互连线最短、外形尺寸最小，并且大大改善芯片速度和低功耗的性能，成为目前电子封装技术中最引人注目的一种技术。12/13/20221TSV的研究动态概述T

2、SV 的应用GaAs基TSV发展状况TSV参数参数参数值参数值最小TSV直径1m最小TSV间距2 mTSV深宽比20焊凸间距25 m芯片间距5 m（微凸点180）15 m（无铅铜焊柱260）芯片厚度15-60 m12/13/20222TSV的研究动态概述TSV 的应用GaAs基TSV发展状况TSV互连尚待解决的关键技术难题和挑战包括：通孔的刻蚀激光VS深反应离子刻蚀(DRIE)；通孔的填充材料(多晶硅、铜、钨和高分子导体等)和技术(电镀、化学气相沉积、高分子涂布等)；工艺流程先通孔(via first)或后通孔(via 1ast)技术；堆叠形式晶圆到晶圆、芯片到晶圆或芯片到芯片；键合方式直接C

3、u-Cu键合、粘接、直接熔合、焊接和混合等；超薄晶圆的处理是否使用载体。TSV封装剖面图12/13/20223TSV的研究动态概述TSV 的应用GaAs基TSV发展状况TSV的关键技术之一通孔刻蚀 前通孔(via first)：在IC制造过程中制作通 孔，分为前道互连和后道互连 后通孔(via last):制造完成之后制作通孔12/13/20224TSV的研究动态概述TSV 的应用GaAs基TSV发展状况 据国际半导体技术路线图ITRS的预测，TSV技术将在垂直方向堆叠层数、硅品圆片厚度、硅穿孔直径、引脚间距等方面继续向微细化方向发展。TSVTSV未来发展展望未来发展展望堆叠层数圆片减薄通孔直

4、径引脚间距37层最多14层2050m8m厚4m1.6m10m3.3m12/13/20225TSV的研究动态概述发展状况TSV的应用GaAs基TSVTSV应用市场预测 据法国调查公司Yole Development提供，到2015年，逻辑和存储器方面的应用占TSV应用的比例将大于30%，接触式图像传感器、微机电系统，传感器占30%的市场，存储器堆叠形成的动态随机存取存储器和闪存芯片占20%的市场。目前，TSV技术主要应用在内存条、MEMS等产品当中。12/13/20226TSV的研究动态概述发展状况TSV的应用GaAs基TSVTSV市场驱动因素总结3D IC 3D IC 12/13/20227T

5、SV应用举例TSV的研究动态概述发展状况TSV的应用GaAs基TSV12/13/20228TSV的研究动态概述发展状况TSV的应用GaAs基TSV 豪威(OmniVision)于2007年开发基于TSV 技术的CISOV2640，OV2640 image sensor是一个能提供在单一晶片上整合16321232(UXGA)的有效像素阵列和影像处理的完整功能、尺寸为8 x 8 x 6.5mm的CIS小型封裝，目前已应用在Sony Ericsson的V630i手机上。OmniVisions OV2640影像感测器 Aptina的新产品MT9V1113M02即是应用OsmiumTM技术（即采用TSV

6、技术作为影像感测器的电极导通技术）的影像感测器模组，主要应用在手机及PC cameras。应用TSV的影像感测器实例OsmiumTM from Aptina12/13/20229TSV的研究动态概述发展状况TSV的应用GaAs基TSV 2009年3月，意法半导体推出市场上首款集成扩展景深（EDoF）功能的1/4英寸光学格式3百万像素Raw Bayer传感器。意法半导体最新的影像传感器可实现最小6.5 x 6.5mm的相机模块，而且图像锐利度和使用体验非常出色，同时还兼有尺寸和成本优势，是一款智能型自动对焦相机解决方案。全新影像传感器扩展手机相机景深从15厘米到无限远应用TSV的影像感测器实例1

7、2/13/202210TSV的研究动态概述发展状况TSV的应用GaAs基TSV 2010年11月，FPGA厂商赛灵思采用堆叠硅片互连技术（SSI）和硅穿孔技术(TSV)，将四个不同FPGA芯片在无源硅中介上互连，生产出含68亿个晶体管、200万个逻辑单元相当于2000万个ASIC的大容量FPGA Virtex-7 2000T。12/13/202211TSV的研究动态概述发展状况TSV的应用GaAs基TSV 2010年12月，台湾台积电(TSMC)公开了采用TSV三维积层半导体芯片的LSI量产化措施。该公司采用TSV、再布线层以及微焊点等要素技术，制作了三维积层有半导体芯片和300mm晶圆的模块

8、，并评测了三维积层技术对元件性能和可靠性的影响。同时，台积电有在28nm以下工艺量产三维LSI的意向。以多种尺寸和配置而形成的TSV和再布线层连接300mm晶圆和半导体芯片的微凸点12/13/202212TSV的研究动态概述发展状况TSV的应用GaAs基TSV 2010年12月三星公司采用TSV技术，成功开发出基于该公司先进的绿色DDR3芯片的8GB RDIMM内存。参数对比参数对比绿色绿色DDR3芯片芯片功耗节省40%内存容量提升50%以上12/13/202213TSV的研究动态概述发展状况TSV的应用GaAs基TSV 2010年12月，美国升特信号半导体公司（Semtech）和IBM联手，

9、运用3D TSV 技术开发高性能的集成的ADC/DSP 平台。IBM 3D 封装技术12/13/202214TSV的研究动态概述发展状况TSV的应用GaAs基TSV 2011年3月，韩国海力士半导体最先采用TSV技术，开发出晶圆级封装二维积层技术。并成功层叠了8层40nm级2Gbit DDR3 DRAM芯片，可让一个内存模块的最大容量达到前所未有的64GB，可广泛应用以满足服务器和其他产品对大容量内存的需求。12/13/202215TSVTSV的研究动态的研究动态概述发展状况TSV的应用GaAs基TSV 2011年6月，日本尔必达公司开始销售采用TSV制作的DDR3SDRAM三维堆叠芯片的样品

10、。这款样品的内部由四块2Gb密度DDR3SDRAM芯片通过TSV三维堆叠技术封装为一块8Gb密度DDR3SDRAM芯片（相当1GB容量），同时集成了接口功能芯片。12/13/202216TSV的研究动态概述发展状况TSV的应用GaAs基TSV 2011年8月7日，三星电子发布了内存产品方面节能型单条32GB DDR3服务器内存模组，这款新的32GB RDIMM内存使用30nm级别工艺制造的DRAM颗粒，默认运行频率为DDR3-1333MHz，功率只有4.5W，三星称该产品为“企业服务器用内存产品中功耗最低级别”。此内存模组比其普通30nm级别工艺的LRDIMM产品功耗平均低约30%。Samsu

11、ngs 32-memory stacking(each chip is 20m thick)12/13/202217TSV的研究动态概述发展状况TSV的应用GaAs基TSV 2011年10月，意法半导体宣布将TSV技术引入MEMS芯片量产，在其多款MEMS产品（智能传感器、多轴惯性模块）内，TSV以垂直短线方式取代传统的芯片互连方法，在尺寸更小的产品内实现更高的集成度和性能。图像传感器TSV结构纵剖图图像传感器实物一角12/13/202218TSV的研究动态概述发展状况TSV的应用GaAs基TSV三星Wide I/O内存芯片内部结构 另外，以Hynix，三星等为首的组织则在积极推广可将TSV

12、3D堆叠技术带入主流应用领域的另外一项计划，即Wide I/O内存接口技术，这项技术面向手机，平板电脑等相关产品。JEDEC组织目前还在审核Wide I/O内存接口技术标准，这种内存接口的位宽达512bit，可以增大内存芯片与逻辑芯片之间的数据传输带宽，其峰值传输率可达12.8GB/s，带宽要比常规的LP DDR2接口高出了3倍之多。12/13/202219TSV的研究动态概述发展状况TSV的应用GaAs基TSV2011年12月，美国IBM与美光科技宣布，美光已决定利用基于TSV的商用CMOS技术，率先生产新型存储器“Hybrid Memory Cube”（HMC）参数对比参数对比存储器速度提

13、高15倍左右最大数据传输速度128GB/s（十倍以上）封装面积减少10%耗电量减少70%Hybrid Memory Cube的构造12/13/202220TSV的研究动态概述发展状况TSV的应用GaAs基TSV 2012年2月27号，美国佐治亚理工学院、韩国KAIST大学和Amkor Technology公司在“ISSCC 2012”上，共同发布了将277MHz驱动的64核处理器芯片以及容量为256KB的SRAM芯片三维层叠后构筑而成的处理器子系统“3D-MAPS：3D Massively Parallel Processor with Stacked Memory”3D-MAPS的封装形态3

14、D-MAPS的架构12/13/202221TSV的研究动态概述发展状况TSV的应用GaAs基TSV其他进展：1、2011年7月9日，在国家02专项和中国封装测试联盟的支持下，由中国科学院微电子研究所发起的国内首个硅通孔（TSV）技术攻关联合体在北京宣告成立并启动了第1期攻关项目。2、2011年12月，东电电子一举投产了5款用于三维封装的TSV制造装置，并“SemiconJapan2011”上展示。投产的是硅深蚀刻装置、聚酰亚胺成膜装置以及3款晶圆键合关联装置。12/13/202222TSV的研究动态概述发展状况TSV的应用GaAs基TSV 如今TSV技术正受到人们广泛的关注，未来，TSV并不只

15、应用在内存上，在CPU上也将看到TSV的身影。同时，TSV的广泛使用，也将再度引发产业的变革，让一些研究中的新创技术，如医学上的人工视网膜、能源应用上的智能尘(Smart Dust)传感器等，能够最终成为人们生活中经常被使用的产品。TSV应用展望TSV冷却系统实例12/13/202223TSV的研究动态概述发展状况TSV的应用GaAs基TSVTSV在3D封装中的发展路线图 3D IC 集成发展路线图(不包含芯片叠层封装)12/13/202224TSV的研究动态概述发展状况TSV的应用GaAs基TSV采用TSV的3D封装发展路线图12/13/202225TSVTSV的研究动态的研究动态概述发展状

16、况TSV的应用GaAs基TSV GaAs因为具有比Si更好的电子性能，其电迁移率比Si高5-6倍，饱和速度比Si高1倍，本征载流子浓度比Si低4个数量级，使得GaAs比Si更适用于高频高速的场合。同时，在前期研究过程中，已有砷化镓基TSV的相关技术，但是制造GaAs居高不下的成本及其较为稀缺的原料来源严重制约着这种化合物半导体的发展。2010年5月，美国科学家研发出砷化镓晶片批量生产技术，从而克服了成本上的瓶颈。有理由相信，在不久的将来，这种感光性能比硅更优良的材料有望大规模用于半导体和太阳能相关产业。12/13/202226TSVTSV的研究动态的研究动态概述发展状况TSV的应用GaAs基T

17、SV 早在1975年，惠普公司就已经在砷化镓衬底上做通孔，应用到单片式微波集成电路中。但其并不是为了三维封装。12/13/202227TSVTSV的研究动态的研究动态概述发展状况TSV的应用GaAs基TSV飞利浦 GSM 四频放大器中的通孔 GaAs 晶圆被减薄至大约75 m厚，在其背部刻蚀出70 m宽的通孔，通孔电镀一层金。如图所示的是飞利浦公司生产的功率放大器中GaAs HBT功率晶体管。GaAs基TSV实例12/13/202228TSV的研究动态概述发展状况TSV的应用GaAs基TSVMEC的剖面图 MEC 反面 MEC 正面底层金属与上层金属通过金属线相连，每个电极与采用TSV制作的两个电极相连。对采用GaAs晶圆加工工艺评估的移动静电载体 (MEC)12/13/202229