در یک مقاله با فناوری سیلیکون از طریق (TSV) و از طریق شیشه از طریق (TGV) آشنا شوید

فناوری بسته بندی یکی از مهمترین فرآیندها در صنعت نیمه هادی است. با توجه به شکل بسته، می توان آن را به بسته سوکت، بسته نصب روی سطح، بسته BGA، بسته اندازه تراشه (CSP)، بسته ماژول تک تراشه (SCM، فاصله بین سیم کشی روی برد مدار چاپی (PCB) تقسیم کرد. و صفحه برد مدار مجتمع (IC) منطبق است)، بسته ماژول چند تراشه (MCM، که می تواند تراشه های ناهمگن را ادغام کند)، بسته سطح ویفر (WLP، از جمله سطح ویفر فن-out بسته (FOWLP)، اجزای نصب سطحی میکرو (microSMD) و غیره)، بسته سه بعدی (بسته اتصال بین bump micro، بسته اتصال TSV و غیره)، بسته سیستم (SIP)، سیستم تراشه (SOC).

فرم های بسته بندی سه بعدی عمدتاً به سه دسته تقسیم می شوند: نوع دفن شده (دفن دستگاه در سیم کشی چند لایه یا مدفون در بستر)، نوع بستر فعال (ادغام ویفر سیلیکونی: ابتدا اجزا و بستر ویفر را با هم ادغام کنید تا یک بستر فعال تشکیل شود. سپس خطوط اتصال چند لایه را مرتب کنید و تراشه ها یا اجزای دیگر را روی لایه بالایی مونتاژ کنید و از نوع انباشته شده (سیلیکون) ویفرهای انباشته شده با ویفرهای سیلیکونی، تراشه هایی که با ویفرهای سیلیکونی انباشته شده اند، و چیپس هایی که با چیپس انباشته شده اند).

روش های اتصال سه بعدی شامل اتصال سیم (WB)، فلیپ چیپ (FC)، از طریق سیلیکون از طریق (TSV)، هادی فیلم و غیره است.

TSV به اتصال عمودی بین تراشه ها پی می برد. از آنجایی که خط اتصال عمودی کمترین فاصله و استحکام بالاتری را دارد، درک کوچک‌سازی، چگالی بالا، عملکرد بالا و بسته‌بندی ساختار ناهمگن چند منظوره آسان‌تر است. در همان زمان، همچنین می تواند تراشه های مواد مختلف را به هم متصل کند.

در حال حاضر، دو نوع فن‌آوری تولید میکروالکترونیک با استفاده از فرآیند TSV وجود دارد: بسته‌بندی مداری سه‌بعدی (ادغام IC سه بعدی) و بسته‌بندی سیلیکونی سه‌بعدی (ادغام 3D Si).

تفاوت این دو شکل در این است که:

(1) بسته بندی مدار سه بعدی نیاز دارد که الکترودهای تراشه به صورت برآمدگی آماده شوند و برجستگی ها به هم متصل شوند (با اتصال، همجوشی، جوشکاری و غیره) در حالی که بسته بندی سیلیکونی سه بعدی یک اتصال مستقیم بین تراشه ها (پیوند بین اکسیدها و مس است). - پیوند مس).

(2) فناوری یکپارچه سازی مدار سه بعدی را می توان با اتصال بین ویفرها (بسته بندی مدار سه بعدی، بسته بندی سیلیکونی سه بعدی) به دست آورد، در حالی که اتصال تراشه به تراشه و پیوند تراشه به ویفر فقط با بسته بندی مدار سه بعدی قابل دستیابی است.

(3) شکاف هایی بین تراشه های یکپارچه شده توسط فرآیند بسته بندی مدار سه بعدی وجود دارد و مواد دی الکتریک باید برای تنظیم هدایت حرارتی و ضریب انبساط حرارتی سیستم برای اطمینان از پایداری خواص مکانیکی و الکتریکی سیستم پر شوند. هیچ شکافی بین تراشه های یکپارچه شده توسط فرآیند بسته بندی سیلیکونی سه بعدی وجود ندارد و مصرف انرژی، حجم و وزن تراشه کم است و عملکرد الکتریکی عالی است.

فرآیند TSV می تواند یک مسیر سیگنال عمودی را از طریق بستر ایجاد کند و RDL را در بالا و پایین بستر به هم متصل کند تا یک مسیر هادی سه بعدی را تشکیل دهد. بنابراین، فرآیند TSV یکی از سنگ بناهای مهم برای ساخت یک ساختار دستگاه غیرفعال سه بعدی است.

با توجه به ترتیب بین انتهای خط جلو (FEOL) و انتهای خط (BEOL)، فرآیند TSV را می توان به سه فرآیند تولید اصلی تقسیم کرد، یعنی از طریق اول (ViaFirst)، از طریق وسط (از طریق وسط) و از طریق آخرین (Via Last) فرآیند، همانطور که در شکل نشان داده شده است.

1. از طریق فرآیند اچینگ

فرآیند حکاکی از طریق کلید برای ساخت ساختار TSV است. انتخاب یک فرآیند اچینگ مناسب می‌تواند به طور موثر استحکام مکانیکی و خواص الکتریکی TSV را بهبود بخشد و بیشتر به قابلیت اطمینان کلی دستگاه‌های سه‌بعدی TSV مرتبط باشد.

در حال حاضر، چهار جریان اصلی TSV از طریق فرآیندهای اچ وجود دارد: حکاکی یون واکنشی عمیق (DRIE)، اچ مرطوب، اچ الکتروشیمیایی با کمک عکس (PAECE) و حفاری لیزری.

(1) حکاکی یون واکنشی عمیق (DRIE)

حکاکی یون واکنشی عمیق، همچنین به عنوان فرآیند DRIE شناخته می شود، رایج ترین فرآیند اچ TSV است که عمدتا برای تحقق TSV از طریق ساختارهایی با نسبت تصویر بالا استفاده می شود. فرآیندهای سنتی اچ پلاسما معمولاً فقط می توانند به عمق اچ چند میکرون دست یابند، با نرخ اچ پایین و عدم انتخاب ماسک اچینگ. بوش بر این اساس فرآیندهای مربوطه را بهبود داده است. با استفاده از SF6 به عنوان گاز راکتیو و آزاد کردن گاز C4F8 در طول فرآیند اچینگ به عنوان محافظ غیرفعال برای دیواره‌های جانبی، فرآیند بهبود یافته DRIE برای حکاکی با نسبت تصویر بالا مناسب است. بنابراین به نام مخترع آن فرآیند بوش نیز نامیده می شود.

شکل زیر عکسی از نسبت تصویر بالا است که با اچ کردن فرآیند DRIE شکل گرفته است.

اگرچه فرآیند DRIE به دلیل قابلیت کنترل خوب به طور گسترده در فرآیند TSV مورد استفاده قرار می گیرد، اما نقطه ضعف آن این است که صافی دیواره جانبی ضعیف است و عیوب چین و چروک گوش ماهی شکل ایجاد می شود. این عیب در حکاکی با نسبت تصویر بالا بیشتر است.

(2) حکاکی مرطوب

حکاکی مرطوب از ترکیبی از ماسک و اچ شیمیایی برای حکاکی از طریق سوراخ ها استفاده می کند. متداول‌ترین محلول حکاکی KOH است که می‌تواند موقعیت‌های روی بستر سیلیکونی را که توسط ماسک محافظت نمی‌شوند، حکاکی کند و در نتیجه ساختار سوراخ عبوری مورد نظر را تشکیل دهد. حکاکی مرطوب اولین فرآیند حکاکی از طریق سوراخ است که توسعه یافته است. از آنجایی که مراحل فرآیند و تجهیزات مورد نیاز آن نسبتاً ساده است، برای تولید انبوه TSV با هزینه کم مناسب است. با این حال، مکانیسم حکاکی شیمیایی آن تعیین می‌کند که سوراخ عبوری ایجاد شده توسط این روش تحت تأثیر جهت‌گیری کریستالی ویفر سیلیکونی قرار می‌گیرد، و باعث می‌شود سوراخ عبوری حکاکی شده غیرعمودی باشد، اما پدیده واضحی از بالا و پایین باریک را نشان می‌دهد. این نقص کاربرد اچینگ مرطوب را در تولید TSV محدود می کند.

(3) اچ الکتروشیمیایی با کمک عکس (PAECE)

اصل اساسی حکاکی الکتروشیمیایی با کمک عکس (PAECE) استفاده از نور ماوراء بنفش برای تسریع تولید جفت الکترون-حفره است و در نتیجه فرآیند اچ الکتروشیمیایی را تسریع می کند. در مقایسه با فرآیند DRIE که به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد، فرآیند PAECE برای اچ کردن ساختارهای سوراخ با نسبت ابعاد فوق العاده بزرگتر از 100:1 مناسب تر است، اما نقطه ضعف آن این است که قابلیت کنترل عمق اچ ضعیف تر از DRIE است و ممکن است فناوری آن ممکن است. نیاز به تحقیقات بیشتر و بهبود فرآیند دارد.

(4) حفاری لیزری

با سه روش فوق متفاوت است. روش حفاری لیزری یک روش کاملا فیزیکی است. عمدتاً از تابش لیزر پرانرژی برای ذوب و تبخیر مواد بستر در منطقه مشخص شده استفاده می کند تا به طور فیزیکی ساخت سوراخ TSV را درک کند.

حفره ای که توسط حفاری لیزری ایجاد می شود نسبت ابعاد بالایی دارد و دیواره جانبی اساساً عمودی است. با این حال، از آنجایی که حفاری لیزری در واقع از گرمایش موضعی برای تشکیل سوراخ عبوری استفاده می‌کند، دیواره سوراخ TSV تحت تأثیر آسیب حرارتی قرار می‌گیرد و قابلیت اطمینان را کاهش می‌دهد.

2. فرآیند رسوب لایه لاینر

یکی دیگر از فناوری های کلیدی برای تولید TSV، فرآیند رسوب لایه لاینر است.

فرآیند رسوب لایه لاینر پس از حک کردن سوراخ انجام می شود. لایه لاینر رسوب شده عموماً اکسیدی مانند SiO2 است. لایه لاینر بین هادی داخلی TSV و زیرلایه قرار دارد و عمدتاً نقش جداسازی نشت جریان DC را ایفا می کند. علاوه بر رسوب اکسید، لایه های مانع و دانه نیز برای پر کردن هادی در فرآیند بعدی مورد نیاز است.

لایه لاینر تولید شده باید دو الزام اساسی زیر را برآورده کند:

(1) ولتاژ شکست لایه عایق باید الزامات کاری واقعی TSV را برآورده کند.

(2) لایه های رسوب شده بسیار سازگار هستند و چسبندگی خوبی به یکدیگر دارند.

شکل زیر عکسی از لایه لاینر رسوب شده توسط رسوب دهی بخار شیمیایی افزایش یافته پلاسما (PECVD) را نشان می دهد.

فرآیند رسوب گذاری باید بر این اساس برای فرآیندهای مختلف تولید TSV تنظیم شود. برای فرآیند سوراخ جلویی، می توان از فرآیند رسوب در دمای بالا برای بهبود کیفیت لایه اکسید استفاده کرد.

رسوب معمولی در دمای بالا را می توان بر اساس تترا اتیل ارتوسیلیکات (TEOS) همراه با فرآیند اکسیداسیون حرارتی برای تشکیل یک لایه عایق SiO2 با کیفیت بالا بسیار سازگار تشکیل داد. برای فرآیند سوراخ میانی و سوراخ پشتی، از آنجایی که فرآیند BEOL در طول رسوب گذاری کامل شده است، برای اطمینان از سازگاری با مواد BEOL، یک روش دمای پایین مورد نیاز است.

در این شرایط، دمای رسوب باید به 450 درجه محدود شود، از جمله استفاده از PECVD برای رسوب SiO2 یا SiNx به عنوان یک لایه عایق.

روش رایج دیگر استفاده از رسوب لایه اتمی (ALD) برای رسوب Al2O3 برای به دست آوردن یک لایه عایق متراکم تر است.

3. فرآیند پر کردن فلز

فرآیند پر کردن TSV بلافاصله پس از فرآیند رسوب لاینر انجام می شود که یکی دیگر از فناوری های کلیدی است که کیفیت TSV را تعیین می کند.

موادی که می توان پر کرد شامل پلی سیلیکون دوپ شده، تنگستن، نانولوله های کربنی و غیره بسته به فرآیند مورد استفاده است، اما عمده ترین جریان هنوز مس آبکاری شده است، زیرا فرآیند آن بالغ است و رسانایی الکتریکی و حرارتی آن نسبتاً بالا است.

با توجه به تفاوت توزیع سرعت آبکاری آن در سوراخ عبوری، می توان آن را به طور عمده به روش های آبکاری زیر همشکل، منسجم، فوق منسجم و از پایین به بالا تقسیم کرد، همانطور که در شکل نشان داده شده است.

آبکاری ساب کانفورمال عمدتاً در مراحل اولیه تحقیقات TSV مورد استفاده قرار گرفت. همانطور که در شکل (الف) نشان داده شده است، یونهای مس تولید شده توسط الکترولیز در بالا متمرکز شده اند، در حالی که قسمت پایین به اندازه کافی تکمیل نشده است، که باعث می شود نرخ آبکاری در بالای سوراخ عبوری بیشتر از سطح زیر بالا باشد. بنابراین، بالای سوراخ عبوری قبل از پر شدن کامل، از قبل بسته می شود و فضای خالی بزرگی در داخل آن ایجاد می شود.

نمودار شماتیک و عکس روش آبکاری کنفورمال در شکل (ب) نشان داده شده است. با اطمینان از تکمیل یکنواخت یون‌های مس، نرخ آبکاری در هر موقعیت در سوراخ عبوری اساساً یکسان است، بنابراین فقط یک درز در داخل باقی می‌ماند و حجم فضای خالی بسیار کمتر از روش آبکاری ساب‌کنفرم است. به طور گسترده استفاده می شود.

به منظور دستیابی بیشتر به یک اثر پرکننده بدون حفره، روش آبکاری فوق منسجم برای بهینه سازی روش آبکاری منسجم پیشنهاد شد. همانطور که در شکل (ج) نشان داده شده است، با کنترل عرضه یون مس، سرعت پر شدن در پایین کمی بیشتر از سایر موقعیت ها است، در نتیجه شیب پله سرعت پر شدن از پایین به بالا برای حذف کامل درز سمت چپ بهینه می شود. با روش آبکاری منسجم، به طوری که به پر کردن مس فلزی کاملاً بدون فضای خالی دست یابد.

روش آبکاری از پایین به بالا را می توان به عنوان یک مورد خاص از روش فوق منسجم در نظر گرفت. در این حالت میزان آبکاری به جز قسمت پایین به صفر می رسد و فقط آبکاری به تدریج از پایین به بالا انجام می شود. علاوه بر مزیت بدون خالی بودن روش آبکاری کنفورمال، این روش همچنین می تواند زمان کلی آبکاری را به طور موثر کاهش دهد، بنابراین در سال های اخیر به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است.

4. تکنولوژی فرآیند RDL

فرآیند RDL یک فناوری اساسی ضروری در فرآیند بسته بندی سه بعدی است. از طریق این فرآیند، اتصالات فلزی را می توان در هر دو طرف بستر برای دستیابی به هدف توزیع مجدد پورت یا اتصال بین بسته ها ایجاد کرد. بنابراین، فرآیند RDL به طور گسترده در سیستم‌های بسته‌بندی فن در فن بیرون یا 2.5D/3D استفاده می‌شود.

در فرآیند ساخت دستگاه‌های سه‌بعدی، معمولاً از فرآیند RDL برای اتصال TSV برای تحقق ساختارهای مختلف دستگاه‌های سه‌بعدی استفاده می‌شود.

در حال حاضر دو فرآیند اصلی RDL وجود دارد. اولین مورد بر اساس پلیمرهای حساس به نور است و با فرآیندهای آبکاری و اچ مس ترکیب شده است. دیگری با استفاده از فرآیند Cu Damascus همراه با PECVD و فرآیند پرداخت مکانیکی شیمیایی (CMP) اجرا می‌شود.

در ادامه به ترتیب مسیرهای فرآیند اصلی این دو RDL معرفی خواهند شد.

فرآیند RDL بر اساس پلیمر حساس به نور در شکل بالا نشان داده شده است.

ابتدا لایه ای از چسب PI یا BCB با چرخش روی سطح ویفر پوشانده می شود و پس از حرارت دادن و پخت، از فرآیند فوتولیتوگرافی برای بازکردن سوراخ ها در محل مورد نظر استفاده می شود و سپس اچینگ انجام می شود. در مرحله بعد، پس از حذف نور مقاوم، Ti و Cu به ترتیب به عنوان یک لایه مانع و یک لایه دانه از طریق فرآیند رسوب بخار فیزیکی (PVD) روی ویفر پراکنده می شوند. در مرحله بعد، اولین لایه RDL بر روی لایه Ti/Cu در معرض با ترکیب فرآیندهای فوتولیتوگرافی و آبکاری مس ساخته می‌شود و سپس مقاومت نوری برداشته می‌شود و تیتانیم و مس اضافی حک می‌شوند. مراحل بالا را تکرار کنید تا یک ساختار RDL چند لایه تشکیل شود. این روش در حال حاضر بیشتر در صنعت استفاده می شود.

روش دیگر برای تولید RDL عمدتا بر اساس فرآیند Cu Damascus است که فرآیندهای PECVD و CMP را ترکیب می کند.

تفاوت این روش با فرآیند RDL مبتنی بر پلیمر حساس به نور در این است که در مرحله اول ساخت هر لایه، از PECVD برای رسوب SiO2 یا Si3N4 به عنوان لایه عایق استفاده می شود و سپس با استفاده از فوتولیتوگرافی، پنجره ای بر روی لایه عایق ایجاد می شود. حکاکی یونی راکتیو و لایه سد Ti/Cu/دانه و مس رسانا به ترتیب پراکنده می شوند و سپس لایه هادی با فرآیند CMP به ضخامت مورد نیاز نازک می شود، یعنی یک لایه RDL یا لایه سوراخ ایجاد می شود.

شکل زیر یک نمودار شماتیک و عکس از سطح مقطع یک RDL چند لایه ساخته شده بر اساس فرآیند Cu Damascus است. می توان مشاهده کرد که TSV ابتدا به لایه سوراخ V01 متصل می شود و سپس از پایین به بالا به ترتیب RDL1، لایه عبوری V12 و RDL2 روی هم قرار می گیرد.

هر لایه RDL یا لایه سوراخ به ترتیب طبق روش فوق ساخته می شود.از آنجایی که فرآیند RDL نیاز به استفاده از فرآیند CMP دارد، هزینه ساخت آن بیشتر از فرآیند RDL مبتنی بر پلیمر حساس به نور است، بنابراین کاربرد آن نسبتاً کم است.

5. فناوری فرآیند IPD

برای ساخت دستگاه‌های سه‌بعدی، علاوه بر ادغام مستقیم روی تراشه در MMIC، فرآیند IPD مسیر فنی انعطاف‌پذیر دیگری را ارائه می‌کند.

دستگاه‌های غیرفعال یکپارچه، همچنین به عنوان فرآیند IPD شناخته می‌شوند، هر ترکیبی از دستگاه‌های غیرفعال از جمله سلف‌های روی تراشه، خازن‌ها، مقاومت‌ها، مبدل‌های بالون و غیره را بر روی یک بستر جداگانه ادغام می‌کنند تا یک کتابخانه دستگاه غیرفعال را به شکل یک برد انتقال تشکیل دهند. با توجه به الزامات طراحی به صورت انعطاف پذیر فراخوانی شود.

از آنجایی که در فرآیند IPD، دستگاه‌های غیرفعال تولید می‌شوند و مستقیماً روی برد انتقال ادغام می‌شوند، جریان فرآیند آن ساده‌تر و کم‌هزینه‌تر از یکپارچه‌سازی روی تراشه‌های آی‌سی است و می‌توان از قبل به‌عنوان یک کتابخانه دستگاه غیرفعال به‌طور انبوه تولید کرد.

برای تولید دستگاه‌های غیرفعال سه بعدی TSV، IPD می‌تواند به طور موثر هزینه فرآیندهای بسته‌بندی سه بعدی از جمله TSV و RDL را جبران کند.

علاوه بر مزایای هزینه، یکی دیگر از مزایای IPD انعطاف پذیری بالای آن است. یکی از انعطاف‌پذیری‌های IPD در روش‌های متنوع ادغام، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، منعکس شده است. علاوه بر دو روش اساسی برای ادغام مستقیم IPD در بستر بسته از طریق فرآیند فلیپ تراشه همانطور که در شکل (الف) نشان داده شده است یا فرآیند اتصال همانطور که در شکل (ب) نشان داده شده است، می توان لایه دیگری از IPD را روی یک لایه ادغام کرد. از IPD همانطور که در شکل های (c)-(e) نشان داده شده است برای دستیابی به طیف وسیع تری از ترکیبات غیرفعال دستگاه.

در همان زمان، همانطور که در شکل (f) نشان داده شده است، از IPD می توان بیشتر به عنوان یک برد آداپتور برای دفن مستقیم تراشه یکپارچه روی آن برای ساخت مستقیم یک سیستم بسته بندی با چگالی بالا استفاده کرد.

هنگام استفاده از IPD برای ساخت دستگاه های غیرفعال سه بعدی، فرآیند TSV و فرآیند RDL نیز می تواند مورد استفاده قرار گیرد. جریان فرآیند اساساً مانند روش پردازش یکپارچه سازی روی تراشه فوق الذکر است و تکرار نخواهد شد. تفاوت این است که از آنجایی که هدف ادغام از تراشه به برد آداپتور تغییر می کند، نیازی به در نظر گرفتن تأثیر فرآیند بسته بندی سه بعدی بر روی ناحیه فعال و لایه اتصال وجود ندارد. این بیشتر منجر به انعطاف‌پذیری کلیدی دیگری از IPD می‌شود: انواع مواد بستر را می‌توان با توجه به الزامات طراحی دستگاه‌های غیرفعال به‌طور انعطاف‌پذیر انتخاب کرد.

مواد زیرلایه موجود برای IPD نه تنها مواد زیرلایه نیمه هادی معمولی مانند Si و GaN هستند، بلکه سرامیک های Al2O3، سرامیک های حرارتی کم/دمای بالا، زیرلایه های شیشه ای و غیره نیز هستند. این ویژگی به طور موثر انعطاف پذیری طراحی غیرفعال را افزایش می دهد. دستگاه های یکپارچه شده توسط IPD

به عنوان مثال، ساختار سلف غیرفعال سه بعدی که توسط IPD یکپارچه شده است، می تواند از یک بستر شیشه ای برای بهبود موثر عملکرد سلف استفاده کند. برخلاف مفهوم TSV، سوراخ‌های ایجاد شده بر روی زیرلایه شیشه‌ای را از طریق شیشه (TGV) نیز می‌نامند. عکس سلف سه بعدی تولید شده بر اساس فرآیندهای IPD و TGV در شکل زیر نشان داده شده است. از آنجایی که مقاومت زیرلایه شیشه ای بسیار بالاتر از مواد نیمه هادی معمولی مانند Si است، سلف سه بعدی TGV دارای خواص عایق بهتری است و تلفات درج ناشی از اثر انگلی زیرلایه در فرکانس های بالا بسیار کمتر از القاگر سه بعدی است. القاگر سه بعدی TSV معمولی.

از سوی دیگر، خازن‌های فلز-عایق-فلز (MIM) نیز می‌توانند بر روی بستر شیشه‌ای IPD از طریق فرآیند رسوب لایه نازک ساخته شوند و با القاگر سه‌بعدی TGV به یکدیگر متصل شوند تا یک ساختار فیلتر غیرفعال سه‌بعدی تشکیل دهند. بنابراین، فرآیند IPD دارای پتانسیل کاربردی گسترده ای برای توسعه دستگاه های غیرفعال سه بعدی جدید است.