硅通孔封装工艺流程与技术

硅通孔（TSV） 是当前技术先进性最高的封装互连技术之一。基于 TSV 封装的核心工艺包括 TSV 制造、RDL/微凸点加工、衬底减薄、圆片键合与薄圆片拿持等。

(1)TSV 制造：TSV 制造可以分为两种类型，类型I是孔底部不需要直接导电连接的制造类型，类型II是孔底部需要直接导电连接的制造类型，如图所示。TSV 制造的主要工艺步骤包括孔刻蚀、绝缘层沉积、扩散阻挡层/种子层沉积、导电材料填充及表面平坦化等。对于孔底部需要直接导电连接的类型，在完成绝缘层沉积后，需要选择性地将孔底部绝缘层去除。

（2）RDL/微凸点加工：再布线层提供了 TSV 及讨底上已有电路或器件的电学重分布，可为 TSV 提供更多的连接自由度，微凸点主要用于实现TSV衬底与其他芯片或封装基板的直接电学连接。对于线宽小于 1μm 的RDL，需要用到镶嵌工艺（又称大马士革工艺)；对于线宽为 1μm 以上的 RDL，可采用厚膜掩模电镀加成式工艺来实现。

（3）衬底减薄：根据工艺流程设计，衬底减薄分为有 TSV 孔的减薄和无TSV 孔的减薄两种情况。对于减薄时衬底内无 TSV 的情况，仅需要处理硅材料，相对比较容易，只要保证处理后的表面平整度即可。对于减薄时衬底内包含TSV 的情况，在减薄完成后，需要将 TSV 从衬底背面露出来，因此应考虑硅与TSV 填充材料（如铜）的同步研磨或抛光，并应控制填充材料不能与衬底硅导通或污染衬底硅。

（4）圆片键合与薄圆片拿持：在圆片减薄完成后，往往还需要很多后续工艺或临时性工艺，其日的是提高生产过程中的成品率与效率，因此要保证薄圆片在这些工艺步骤中的安全，通常这是通过与承载片键合保护来实现的。如果承载片是功能性的，则键合 是一种永久键合。根据所使用的中间层材料，永久键合可以分为氧化硅键合、聚合物键合、金属键合，以区这些键合的混合形式等。当承载圆片是非功能性的衬底时，需要临时性的键合，以便在后续工艺过程中实现键合分离。

实现薄圆片拿持的基本工艺思路是，首先将待减薄圆片与一个承载圆片键合，之后进行圆片减薄及减薄后的工艺加工，最后将承载圆片拆除，从而完成薄圆片的加工。

根据工艺集成方案中TSV、有源器件片内互连的工艺顺序，TSV 封装工艺可以分为 Via First、Via Middle、Via Last 三种工艺方案。Via First 是指先完成 TSV的制作，再做有源芯片及其互连；Via Middle 是指先做有源器件，然后制作ISV，之后再进行片内互连工艺；Via Last 是指先完成有源芯片和有源芯片片内互连层，最后制作TSV。 Via Middle 和 Via Last 工艺是目前应用较广泛的 TSV 解决方案。‍‍‍

目前，TSV 主要有三大应用领域，分别是三维集成电路（3D 1C）封装、维圆片级芯片尺寸封装（3D WLCSP）和2.5D 中介转接层（Interposer）封裝。

（1）3D1C封装：目前，3D IC 的应用方向主要是存储类产品，其原因是存储类产品引脚密度小，版图布局规律，芯片功率密度小等。通过 TSV 通孔实现三维集成，可以增加存储容量，降低功耗，增加带宽，减小延迟，实现小型化。

(2）3D WICSP： 主要应用于图像 指纹、滤波器、加速度计等传感器封装领域。其特点是采用 Via Last 工艺，TSV 深宽比较小（1：1~3：1），孔径较大。出于对成本的考虑，目前图像传感器封装大多采取低深宽比的 TSV 结构，其封装工艺流程如图所示。‍

（3） 2.5D 中介转接层封装：细线条布线中介转接层针对的是 FPCA、CPU等高性能的应用，其特征是正面有多层细节距再布线层和细节距微凸点，主流ISV 深宽比达到 10:1，厚度约为 100wm。由于受技术难点和成本的限制，以及封装厚度增加等问题，目前2.5D 中介转按层处于小批量生产阶段。图所示为TSV 中介转接层加工工艺流程。