TSV işlemi

TSVPküstahlıkOverview

2.5D/3D Ambalaj Teknolojisi, mevcut son teknoloji gelişmiş ambalaj teknolojisi olarak çok çeşitli çözümlere sahiptir ve çip incelme, çip bağı, tel bağlanma, flip bağı, TSV, plastik ambalaj, substrat, kurşun çerçeve, taşıyıcı bant, gofret düzeyi ince film süreci ve diğer teknoloji geliştirmeye göre dinamik olarak ayarlayacaktır. Bazı işlemlerin, tel ark yüksekliği ve lehim eklem boyutu için daha yüksek standartlara sahip olan, işlem geliştirme ve yenilikçilik gerektiren 3D ambalajda tel bağlanma teknolojisi gibi 2.5D/3D ambalajının spesifik gereksinimlerine göre daha fazla geliştirilmesi gerekir. TSV sürecine ek olarak, bu kitap en çok ilgili teknolojileri tanıtmıştır ve alan sınırlamaları nedeniyle bu bölüm sadece TSV süreç teknolojisine odaklanmaktadır.

Tel bağlanması ile karşılaştırıldığında, TSV, ara bağlantı kablolarının uzunluğunu önemli ölçüde kısaltabilir, sinyal iletim gecikmesini ve kaybını azaltabilir, sinyal iletim hızını ve bant genişliğini artırabilir, güç tüketimini azaltabilir ve paket boyutunu azaltabilir ve çok işlevli, yüksek performanslı, yüksek güvenilirlik ve daha hafif, daha ince ve daha küçük sistemler elde etmek için etkili araçlardan biridir. 2.5D/3D ambalajının temel teknolojisi olarak TSV, substratlar ve film kabloları gibi aracıları kullanan diğer 3D ambalajlardan farklıdır ve yongalar, daha az termal uyumsuzluk ve daha kısa ara bağlantı uzunluğu ile iletken vias ve lehim bağları ile bağlanır.

0040-09094 Oda 200mm

TSV'nin mükemmel 3D ambalaj performansı ve büyük geliştirme potansiyeli dördüncü nesil ambalaj teknolojisi denir. 20. yüzyılın 80'li yıllarının ortalarında, dikey TSV'lerde iletkenleri doldurma kavramı açıkça önerildi, ancak o zaman henüz gerçekleşmemişti. 20. yüzyılın 90'lı yıllarının ortalarında Bosch, silikon gofretler üzerinde dikey derin delikler aşındırmayı mümkün kılan derin reaktif iyon aşındırma (DRIE) teknolojisi geliştirdi. 20. yüzyılın sonunda, tungsten veya polisilikon iletkenlerle doldurulmuş yüksek derinlik oranı TSV başarıyla elde edildi. 2000 yılından bu yana, derin deliklerdeki bakırın elektroplokasyonunu yavaş yavaş yüksek uçurum oranı TSV'yi doldurmanın ana yolu haline gelmiştir. O zamandan beri, gofret bağı, yumru üretimi, gofret inceltme ve kimyasal-mekanik parlatmada ilerlemeler TSV paketleme teknolojisinin iyileştirilmesini daha da desteklemiştir.

0020-33806 Üst Oda DPS + Poli

TSV işlemi

TSV teknolojisi aslında gofret düzeyinde bir süreçtir, bu nedenle üretimi entegre devre üretim sürecinin dört türe ayrılabilen farklı yönlerine entegre edilebilir: Önce ön, ön orta VIA, ön arka via ve geri yolda.

Öne bakan vias, gofretin aktif devre yüzeyinde delme deliklerine atıfta bulunur. Teknoloji üzerinden ön ön, başlangıç silikon substratında Vias oluşumudur, yani delik açısından imalat, çip ön ucu üretim işleminin aktif tabakası oluşmadan önce tamamlanır ve TSV imalat, gofret fab'ın ön ucundaki metal ara bağlantı işleminden önce gerçekleştirilebilir. Bu çözümün önemli avantajı, mevcut entegre devrelerin işlemini ve tasarımını değiştirmesi gerekmemesi ve tohum katmanı birikimi maliyetini azaltabilmesi, kaplama süresini kısaltabilmesi ve üretim kapasitesini artırabilmesidir ve bazı üreticiler bu teknolojiyi üst düzey flaş ve DRAM alanında benimsemiştir. CMO'lar ve hattın arka ucu (BEOL) arasında TSV delikleri yapıldığında, BEOL'un tek bir cihazın tamamlanmasından sonra ilk metal ara bağlantısıyla başlayan ve gofret fab'da tamamlanan çip üretiminin arka uç işlemini ifade ettiği ön-orta vias olarak adlandırılır. Arka delik sonrası teknoloji, bir çip veya gofret başka bir gofrete bağlandıktan sonra arka tarafta delinir.

TSV üretimi işlemi aşağıdaki gibidir: (1) TSV'nin hedef kalınlığını aşmak için silikon gofret üzerinde derin delikler açın; (2) tortul orta tabaka; (3) bariyer tabakalarının, yapışma tabakalarının ve tohum metal tabakalarının silikon gofretlerin ve derin gözeneklerin yüzeyine birikmesi; (4) bakır veya diğer iletken malzemeleri elektrokaplayarak derin deliği doldurun; (5) Yüzey düzleştirilmesi ve fazla tohum metal tabakasını gidermek için kimyasal mekanik parlatma kullanın; (6) Bakır tabakası veya delikten iletken tabaka taşlama veya aşındırma ile maruz kalır.

TSV teknolojisi için temel süreçler

TSV'nin temel süreçleri arasında gofret incelme, delikli imalat ve bağlanma bulunur.

1. Dinleme

TSV işleminin 75μm içinde kontrol edilmesi gereken gofret kalınlığı için katı gereksinimleri vardır; TSV paketi yoğunluğunun artması ve diyafram boyutunun azaltılması ile gofret kalınlığı hala azalmaktadır, bu nedenle gofret inceltme TSV sürecinin temel bağlantılarından biri haline gelmiştir. Geleneksel ambalajın inceltme işleminin genellikle sadece gofretin 200 ~ 350μm'ye düşürülmesi gerekir ve özel ambalajın sadece 150 ~ 180μm'ye düşürülmesi gerekir, bu sırada silikon gofret, inceltme işlemi sırasında öğütmenin neden olduğu hasar ve iç strese dayanacak kadar kalındır ve kendi sertliğinin taşınması kolaydır. Bununla birlikte, TSV işlemi gofret inceltilmesini 50μm'den daha azına ihtiyaç duyar ve inceltme hasarının nasıl azaltılacağı ve esnek gofretlerin kararlı taşınması nasıl yeni bir zorluk haline gelmiştir. Geleneksel incelme işleminde, kaba taşlama ve ince öğütme işleminden sonra kalan yüzey hasarı silikon gofret kırılmasının ana nedenidir - öğütme, fiziksel basınç, hasar, çatlama ve çıkarma işlemleri yoluyla silikon malzemeyi kaldıran fiziksel olarak zararlı bir işlemdir. Bu tür yüzey hasarını ve stresi ortadan kaldırmak için endüstri kuru parlatma, ıslak parlatma, kuru aşınma ve ıslak aşındırma gibi çeşitli yöntemleri denemiştir. Şu anda, sektördeki ana akım çözüm, aynı ekipmanda silikon gofretlerin öğütme, parlatma, koruyucu film çıkarma ve film yapışmasını entegre eden entegre ekipmanı kullanmaktır ve bedensel filmin yapıştırılmasından silikon gofretlerin tüm işlemi, mekanik kontratın yapıştırılmasına kadar, boş bir emir bardağı üzerinde düzenlenir ve her zaman düz durumda tutulur. Silikon gofret, fining filmine yapıştırıldığında, kalınlık fidan filmden daha ince olsa bile, filmin şekline göre düz kalacak ve artık çözgü veya sarkmayacak, böylece ulaşım problemini çözecek.

2. Delikten

1) Matkap

Gofret sondajı TSV işleminin temel kısmıdır ve şu anda iki ana yöntem kullanır: kuru dağlama (Bosch gravürü olarak da bilinir) ve lazer aşındırma. Başlangıçta MEMS teknolojisi için geliştirilen Bosch dağlama işlemi, hızlı alternatif silikon çıkarma (SF₆ plazma aşınması kullanılarak) ve yan duvar pasivasyonu (CF₄ plazma birikimi kullanılarak) ile karakterizedir. Soğuk dağlama oranı 50μm/dakikaya ulaşabilir, en boy oranı 1: 80'e ulaşabilir ve doğruluk mikrondur.

Lazer aşınması, fotorezist kaplama, maruz kalma, geliştirme ve dejumlama ihtiyacını ortadan kaldırarak maskelere olan ihtiyacını ortadan kaldırır. Güney Kore'den Samsung bu teknolojiyi hafıza istiflemesine uyguladı. Lazer dağlamasının en boy oranı, kuru aşınmadan daha zayıf olan yaklaşık 7: 1'dir ve çipte az sayıda Vias olan senaryolar için daha uygundur. Eğer delik sayısı 10.000'i aşarsa, kuru dağlama ile birleştirilmiş litografi kullanma etkinliği daha yüksektir. Buna ek olarak, delikten boyut 10 μm'den azına indirildiğinde, lazer delme ile delik boyutunu daha da azaltmak hala zordur.

2) delik yalıtım yoluyla

Delikten yalıtım genellikle CVD işlemi tarafından bir oksit (SiO₂) yalıtım tabakası ve hammadde olarak silan veya teos ile biriktirilir. TSV yalıtımı ve dolgu çip devresi üretildikten sonra gerçekleştirilirse, tamamlanan devre parçalarını etkilemekten kaçınmak için uygun biriktirme sıcaklığı seçilmelidir. TEOS birikiminin tipik sıcaklığı 275 ~ 350 derecedir ve uygun performansa sahip fonksiyonel bir yalıtım tabakası elde edilebilir. CMOS görüntü sensörleri ve bellek gibi uygulamalar için daha düşük biriktirme sıcaklıkları gereklidir. Şu anda, bazı ekipman üreticileri, TSV için yüksek verimli bir organik yalıtım tabakası olarak ince filmleri oda sıcaklığında biriktirmek için düşük sıcaklıklı oksit biriktirme teknolojisi geliştirmiştir.

3) Bariyer katmanı, tohum tabakası ve dolgu maddesi

Delik içi bakır işleminde, teneke yapışma/bariyer tabakası ve bakır tohum tabakası tipik olarak püskürtme ile biriktirilir. Bununla birlikte, 4: 1'den büyük derinlik-genişlik oranı olan delikler aracılığıyla, geleneksel PVD DC magnetron teknolojisinin adım kapsama etkisi iyi değildir, iyonize metal plazmaya (IMP) dayanan PVD teknolojisi, deliğin yan duvarının ve alt bakır tohum katmanının düzgün birikmesini sağlayabilir. Elektroplu bakırın düşük maliyeti nedeniyle, tohum tabakası biriktirildikten sonra delikler genellikle elektrolizle doldurulur. Bununla birlikte, TSV kaplaması sırasında, delik uç etkisi nedeniyle daha fazla güç hattı toplayacak ve bu da delikten çok daha yüksek bir akım yoğunluğuna neden olacaktır. Katkı maddeleri olmadan, delik biriktirme oranı deliktekikinden çok daha hızlı olacaktır ve kuyudaki bakır iyon değişimi zordur ve deliği doldurmak ve deliğe tamamen birikmemek kolaydır. Bu nedenle, katkı maddeleri ile taban, yan duvar ve yüzeyin kaplama biriktirme hızını (delik birikimini inhibe etme ve alt birikimi arttıran) veya aradan geçirme deliğinin tam dolgusunu elde etmek için periyodik ters darbeli akım kaplamasının kullanılması gerekir. İçi boş bakır dolgusu uzun zaman alır ve TSV bakır dolgusunun karşılaştığı bir sorun olan üretim verimliliğini azaltır.

3. TSV bağı

TSV bağlanmasında kullanılan süreç, metalik bağ teknolojisini ve polimer bağlanma bağını içerir. Bağlamanın temel amacı, yongalar veya bileşenler arasında kararlı mekanik bağlantılar, elektrik bağlantıları ve termal iletim kanalları oluşturmak, başlangıçta ayrı yongaları ve bileşenleri tam bir paketlenmiş ürüne entegre etmektir.

Bağlama sürecinin özellikleri açısından, metalik bağlama esas olarak iki kategoriye ayrılır: termokompresyon bağı ve ötektik bağ. Örneğin, bakır-bakır bağlanma sıcak pres bağlama, bakır-tin, altın tin, vb. Bağlama, ötektik bağa aittir. Bakır-bakır sıcak pres bağı prensibi: bir vakum ortamında veya koruyucu bir atmosferde, yakından bağlanmış iki bakır yüzeye yüksek sıcaklık ve yüksek basınç uygulayın ve iki bağlama yüzeyindeki bakır atomlarının tamamen yayılması ve son olarak bağı elde etmek için bir bütün haline getirmesi için yeterince uzun süre koruyun. Bununla birlikte, bu bağlanma yöntemi zaman alıcıdır ve daha katı işlem koşulları gerektirir.

Son yıllarda, düşük sıcaklıklı metal bağlama, ambalaj alanında bir araştırma sıcak noktası haline gelmiştir. Araştırmacılar, daha düşük sıcaklıklarda iyi elektrik ve mekanik bağlar oluşturabilen bir bağlama yöntemi bulmayı umuyor ve reaksiyon ürünleri yüksek sıcaklıklara dayanabilir. Bakır-tin bağı, mükemmel elektrik ve termal özellikleri ve düşük bağlanma sıcaklığı nedeniyle tercih edilir (Tin'in erime noktası 232 derecedir). Bakır-tin ötektik bağlama işlemi sırasında, metal kalay, bakır ve kalay arasında tam teması destekleyen düşük sıcaklıkta bir sıvı durum oluşturmak için erir, ikisi arasındaki difüzyonu hızlandırır ve hızla metastable yüksek eritme noktası intermetalik bileşikleri üretir (eritme noktası 415 derecesi) ve kararlı bileşik cu (stabil bileşik cufting). Bu bağlanma yöntemi, 3D ambalajın güvenilirliği için çok önemli olan birden fazla katman istiflenirken, sonraki bağlanma işlemi sırasında ısı nedeniyle bağlı parçanın erimesini etkili bir şekilde önleyebilir. Ek olarak, kalay lehimin iyi deformasyon kabiliyeti nedeniyle, bakır-tin bağı, yüzeyde belirli dalgalanmalar veya küçük parçacıklar olsa bile, bağlama yüzeyinin yüksek düzlük ve temizliğini gerektirmez, iyi bir bağ oluşabilir. Aynı zamanda, sıvı kalay bakır ve kalay arasındaki difüzyonu hızlandırabilir, bu da bağlanma verimliliğini daha yüksek hale getirir. Bağlantı yoğunluğu arttıkça, hibrid bağlanma teknolojisindeki en son gelişmeler de önemli bir seçim haline gelebilir.

TSV Uygulama Geliştirme

TSV teknolojisi, mevcut 3D ambalaj çözümlerinde paket yoğunluğu ve ara bağlantı uzunluğu açısından önemli avantajlar sunan 2.5D ve 3D ambalajı sağlar. Bu nedenle, TSV'nin uygulama ilerlemesi, 3D ambalajlama alanındaki en son gelişme eğilimini bir dereceye kadar yansıtmaktadır.

1. CMO'larIbüyücüSensor

2006 yılında Toshiba Corporation, entegre TSV teknolojisi ile dünyanın ilk ürününü başlattı, CMOS görüntü sensörü (CIS) ve seri üretim 2007'de elde edildi. Performans iyileştirme ve minyatürleştirme, CI'lerin gelişiminin arkasındaki temel itici güçlerdir. TSV ile donatılmış 3D CMOS görüntü sensörlerinin geliştirilmesi, ön taraf görüntüleme (FSI), arka görüntüleme (BSI) ve daha sonra hibrid 3D istiflenmiş BSI aşamalarından geçmiştir. Şu anda CIS, TSV teknolojisi için en büyük uygulama pazarıdır.

2. MEMS Alan Uygulamaları

20. yüzyılın sonunda, polisilikon TSV'lerin (mikromekanik ultrasonik dönüştürücü dizilerinde kullanılanlar gibi) ve ayrıca monoktralin silicon TSV'lerde kullanılanlar gibi, derin iyon aşınma teknolojisi MEM'lere uygulanmaya başladı (monoktralin silicon TSV'ler (mikroenginlerde silika tuşlu izolasyon yapıları). 21. yüzyılda, birçok MEM üreticisi ve dökümhanesi, gofret seviyesi vakum ambalajı (WLVP) için hava kaplı silikon TSV'ler de dahil olmak üzere atalet sensör ürünlerini ve ilgili üretim hizmetlerini ticarileştirmiştir. Aynı zamanda, içi boş metal TSV ve WLVP teknolojisi kullanan ince film akustik rezonatörler (FBARS) da ticarileştirilmiştir ve kablosuz iletişimde yaygın olarak kullanılmıştır. TSV ve WLVP teknolojisinin MEM'lere entegrasyonu, son on yılda tüketici ve mobil elektroniklerde MEM'lerin benimsenmesini büyük ölçüde hızlandıran orijinal fiyatın 1/10 ila 1/5'ine paket boyutunu ve maliyetini azaltabilir. 2014 yılında Bosch, diğer genel olarak entegre çözeltilerden önemli ölçüde azaltan bakır elektroplasyondan (10: 1 çap oranı), diğer genel MEMS entegre çözeltilerine göre önemli ölçüde azaltan 10 μm x 100 μm delikten (10: 1 çap oranı) öne bakan öne bakan ortada TSV'ye dayanan entegre bir MEMS sensörü geliştirdi ve başlattı. Şu anda MEMS, TSV teknolojisinin önemli bir uygulama alanı haline gelmiştir.

3. Bellek Alanı Uygulamaları

TSV teknolojisi, yüksek yoğunluklu TSV dikey ara bağlantı teknolojisi ile bellek kapasitesini ve bant genişliğini etkili bir şekilde artırabilir, birden fazla yonga istiflemek bellek kapasitesini ve performansı önemli ölçüde artırabilir. Başlıca bellek üreticileri, ilgili ürünleri geliştirmek için TSV 3D istifleme teknolojisini benimsemiştir. 2009 yılında Samsung, TSV 3D ambalajına dayanan 8GB 3D DDR3 DRAM'ı başlattı, bu da bekleme güç tüketimini sırasıyla% 50 ve% 25 oranında düşürdü ve G/Ç oranlarını 300 TSV'ye 1600MB/s'den fazla artırdı. 2014 yılında şirket, G/Ç oranı 2.4GB/s ve 4 yonga yığını ile TSV teknolojisi ile 16GB 3D DDR4 SDRAM yayınladı.

TSV teknolojisi ayrıca yüksek bant genişliği belleğinde (HBM) önemli uygulamalara sahiptir. HBM yığını, CPU veya GPU ile fiziksel olarak entegre edilmez, ancak küçük perdeli yüksek yoğunluklu TSV adaptör kartı ile birbirine bağlanır. HBM, Chip tarafından entegre RAM'e yakın özellikleri nedeniyle daha hızlı hız ve daha yüksek bant genişliğine sahiptir, bu da yüksek bellek bant genişliği taleplerine sahip senaryolar için uygun hale getirir. Yüksek performanslı CPU/GPU uygulamalarında, 2.5D TSV adaptör kartları platform tabanlı bir teknoloji olarak önemli bir rol oynar. Bellek, özellikle HBM ürünleri, TSV teknolojisi sayesinde bant genişliğini büyük ölçüde artırmıştır. 2014 yılında Hynix, 29NM işlem ve TSV teknolojisi kullanarak 128GB/s'lik bir bant genişliğine sahip 1.2V 8GB 8GB 8-kanal yüksek bant genişliğinde bellek yığılmış DRAM yayınladı. Şu anda, bellek TSV teknolojisi için ana uygulama pazarlarından biridir.

Samsung 3D DDR4 DRAM PAKETİ

4. Diğer alanlarda uygulama

Güç elektroniği, analog elektronik ve iletişim de TSV teknolojisinin önemli uygulama pozisyonlarıdır. 2021'de Xian Technology Üniversitesi, Xidian Üniversitesi ve Manchester Üniversitesi'nden Fengjuan Wang ekibi, 6G mobil iletişim ihtiyaçları için TSV teknolojisine dayanan üç beş dereceli ultra küçük saç tokası bant geçişi filtreleri önerdi ve geliştirdi.

TSV Teknoloji Görünümü
TSV teknolojisi gelişmeye devam ettikçe, delik açısından boyut küçülmeye devam eder ve yığın içindeki her yonga katmanının kalınlığı da daha da azalacaktır. Çalışmalar, gofret kalınlığı 5 μm'nin altına düşürüldüğünde, devre performansının önemli ölçüde bozulmayacağını göstermiştir. Önümüzdeki on yıl içinde, geleneksel cihazların geliştirilmesinin kendi fiziksel sınırlarına kademeli olarak dokunacağı ve sonraki atılımların zorluğunun önemli ölçüde artabileceği öngörülebilir; Bununla birlikte, tek boyutlu malzeme cihazları gibi yeni cihazlar hala laboratuvar aşamasındadır ve büyük ölçekli ticarileştirme elde edilmesi zordur. Bu nedenle, ambalaj düzeyinde entegrasyonun sürekli iyileştirilmesi şu anda anahtar haline gelmiştir ve teknoloji üzerinden silikon önümüzdeki birkaç yıl içinde mikroelektronik endüstrisinde bir araştırma sıcak noktası olmaya devam edecektir. Bellek, mantık devreleri ve CMOS görüntü sensörleri gibi hızla geliştirilen yonga uygulamalarında TSV'ye olan talep, bu teknolojinin iyileştirilmesini ve yükseltilmesini teşvik etmeye devam edecektir.

Buna ek olarak, TSV teknolojisi, farklı yongalar türlerinin heterojen entegrasyonunu da sağlayabilir - örneğin, cep telefonu güç amplifikatörleri çoğunlukla GAAS devrelerinin tam bir fonksiyonel devre oluşturmak için CMOS devrelerine bağlanabileceği GAAS teknolojisini kullanır. Bununla birlikte, hızlı bir şekilde gelişirken, 3D ambalaj hala birçok zorlukla karşı karşıyadır ve güvenilirlik, ısı yayılması, malzeme eşleştirme ve yonga testi gibi konuların, teknoloji yoluyla silikonun ticarileştirilmesini teşvik etmek için hala iyice incelenmesi gerekir.