3D-IC 中 硅通孔TSV 的设计与制造

本文要点：

3D 集成电路需要一种方法来连接封装中垂直堆叠的多个裸片

由此，与制造工艺相匹配的硅通孔（Through-Silicon Vias，TSV）设计应运而生

硅通孔设计有助于实现更先进的封装能力，可以在封装的不同部分混用不同的通孔设计

3D 集成电路或2.5D 封装方法，以及新的处理器和 ASIC，都依赖于以某种方式来连接封装上相互堆叠的裸片。硅通孔是一种主要的互连技术，用于在 2.5D/3D 封装中通过中介层、基板、电源和堆叠的裸片间提供电气连接。这些通孔提供了与 PCB 中相同的互连功能，但设计方法完全不一样，需要根据它们在制造过程中的不同来设计。

如今，现代集成电路较常使用单一样式的硅通孔，这是因为用于裸片堆叠互连的沉积工艺较难实现。尽管在实现方面没有太多的灵活性，但硅通孔使 2.5D 封装和堆叠式集成电路的规模逐步缩小，在bump 数量增多的情况下，依然可以使bump的中体尺寸变小。在我们为设计选择硅通孔样式之前，需要考虑制造工艺以及硅通孔在制造中的困难。

硅通孔设计

3D 集成封装基于裸片与中介层之间的垂直互连

硅通孔有三种设计样式，用于连接中介层上堆叠的 3D 裸片，需要根据制造过程中的实现情况来选择这些堆叠。硅通孔结构一般用于集成了堆叠逻辑和存储器的 2.5D/3D 集成系统级封装。由于高带宽存储器占用了大量的封装基板面积，针对这些部分使用硅通孔有诸多好处，可以沿着垂直堆叠的方向提供裸片之间的连接。

在 3D 集成电路中使用

硅通孔可以放置在 3D 集成电路中使用的裸片-裸片/裸片-晶圆工艺中，以定义通过基板和 I/O 的连接。下图是以三种样式实现的硅通孔截面示意图。在这些图中，通孔提供了一个长的垂直连接，垂直横跨基板，并可进入多个裸片层。

3D 集成电路中的硅通孔可以采用三种方法进行设计和放置：

硅通孔的先通孔、中通孔和后通孔工艺

先通孔

先制作通孔，然后再将元件或键合裸片摆放在中介层上。首先，在通孔中沉积金属，然后覆盖结构的顶部。堆叠裸片之间的金属化连接，用于连接基板层并完成与硅通孔的连接。

中通孔

放置通孔需要在金属化之前、摆放电路之后进行。在堆叠过程中，通孔结构要达到不同的层，并提供层之间的连接。盲孔、埋孔和通孔版本的硅通孔可以在这个过程中轻松放置。

后通孔

顾名思义，通孔是在堆叠和金属化之后形成的，也叫做背面硅通孔。在这个过程中，将一个长的通孔结构沿着封装放置并穿过基板。该过程不影响金属化，也不需要在晶圆减薄过程中纳入显现 (reveal) 工艺。

用于在硅片上形成这些硅通孔的主要活性离子蚀刻工艺，是使用六氟化硫 (SF6) 和 C4F8 钝化的 Bosch 蚀刻工艺。虽然非常大的孔可以由蚀刻掩膜定义并通过这种工艺形成，但蚀刻率对孔的长宽比非常敏感。在蚀刻之后，利用铜的电化学沉积来形成种子层，并通过电镀堆积出孔的结构。

在中介层和晶圆级封装中使用

硅通孔也可用于中介层，将多个芯片或堆叠的裸片连接成 2.5D 封装。摆放在中介层上的单个芯片可以是单片集成电路或硅上堆叠裸片，每个都有自己的硅通孔。这些堆叠的元件也可以是细间距 BGA/倒装芯片封装中的非标准元件，直接粘合在中介层的金属焊盘上。然后，中介层利用倒装芯片 bump 安装到封装基板上，如下图所示：

硅中介层上的 2.5D 集成封装

中介层中硅通孔的制造工艺与单片或裸片堆叠 3D 集成电路（见上文）的制造工艺基本相同，涉及类似的蚀刻和堆积工艺。这种工艺也可以直接在芯片的晶圆上制造通孔和形成封装，称为晶圆级封装。然后，这些晶圆级封装可以粘合到异构 3D 集成电路上，或者可以形成 bump，直接安装到 2.5D 封装中使用的中介层上。

硅通孔对信号完整性有何影响

按照集成电路的尺寸标准，硅通孔的结构非常大，并且长宽比较高，因此在选择硅通孔时要格外关注成本，因为这些大型结构需要更长的加工时间。此外，其直径可以达到几微米，且可能带有扇形轮廓，会带来可靠性问题。然而，尽管制造复杂性有所增加，但考虑到信号和电源完整性，依然利大于弊，包括：

电源损耗更低，因为硅通互连比水平通道要短

沿着互连长度的寄生效应更小

由于寄生电容更少，信号转换更快

对继续进行 3D 集成和异构集成来说是十分必要的

如果 VLSI 设计师想为专门的应用开发更先进的元件，就需要在物理布局中设计硅通孔，并运行基本的信号仿真来验证电气行为。

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文章来源：Cadence楷登PCB及封装资源中心

审核编辑 黄宇