文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：小陳婆婆

本文介紹了3D封裝中的硅通孔、IC鍵合和集成技術(shù)。

微電子技術(shù)的演進始終圍繞微型化、高效性、集成度與低成本四大核心驅(qū)動力展開，封裝技術(shù)亦隨之從傳統(tǒng)TSOP、CSP、WLP逐步邁向系統(tǒng)級集成的PoP、SiP及3D IC方向，最終目標(biāo)是在最小面積內(nèi)實現(xiàn)系統(tǒng)功能的最大化。

3D封裝技術(shù)歷經(jīng)MCM、堆疊封裝到芯片級堆疊的迭代，而3D IC作為終極形態(tài)，依托TSV垂直互連、晶圓鍵合與超薄晶圓減薄三大核心技術(shù)，正突破二維縮放瓶頸，滿足移動電子、可穿戴設(shè)備對低功耗、高計算能力的嚴苛需求。

本文分述如下：

硅通孔(TSV)

3D IC鍵合與集成技術(shù)

晶圓級3D集成

硅通孔(TSV)

硅通孔（TSV）作為3D芯片封裝的核心理異構(gòu)集成技術(shù)，通過垂直互連路徑最小化信號傳輸延遲，成為CPU-內(nèi)存、閃存-控制器等高速數(shù)據(jù)交互場景的關(guān)鍵支撐，其技術(shù)演進深度融合了移動電子小型化需求與系統(tǒng)級封裝（SiP）趨勢。

TSV形成工藝涵蓋激光鉆孔、Bosch深度反應(yīng)離子刻蝕（DRIE）及低溫DRIE三大主流路徑：激光鉆孔依托聚焦激光束熔化/汽化硅材料實現(xiàn)通孔成型，雖工藝成熟但受限于≥25μm的孔徑下限與錐形側(cè)壁特性，多用于低引腳數(shù)場景。Bosch工藝通過刻蝕-鈍化循環(huán)實現(xiàn)高深寬比垂直刻蝕，依托感應(yīng)耦合等離子體（ICP）平衡氟自由基與聚四氟乙烯類鈍化層沉積，在0.5mm硅片刻蝕中需百次級循環(huán)，側(cè)壁呈現(xiàn)100-500nm振幅波紋。

低溫DRIE則通過-110℃低溫環(huán)境抑制各向同性刻蝕，結(jié)合氧化物/氟化物阻擋層形成原子級平滑側(cè)壁，適用于光學(xué)器件等高精度需求場景。

TSV分類依據(jù)制造流程分為先通孔（CMOS前）、中通孔（CMOS后互連前）及后通孔（晶圓工藝后），先通孔采用多晶硅填充以耐受高溫CMOS工藝，中通孔優(yōu)選銅材料以利用其低電阻特性，后通孔則通過激光鉆孔與電鍍銅實現(xiàn)低成本大尺寸通孔，適配傳感器、閃存等低I/O密度場景。

填充材料方面，銅憑借優(yōu)越導(dǎo)電性成為主流，但需通過自底向上電鍍解決空隙問題；鎢、鉬因低熱膨脹系數(shù)（CTE）特性被用于緩解硅-銅CTE失配導(dǎo)致的熱應(yīng)力，而聚合物絕緣層通過降低介電常數(shù)與熱應(yīng)力，在電容優(yōu)化與可靠性提升方面展現(xiàn)潛力。

當(dāng)前，TSV技術(shù)正與硅光子集成、碳基半導(dǎo)體等前沿領(lǐng)域深度融合，例如在光通信模塊中實現(xiàn)光電協(xié)同集成，或在AI加速器中通過3D TSV堆疊提升內(nèi)存帶寬；新型材料如石墨烯導(dǎo)熱層、氮化鎵基TSV的研發(fā)，則進一步拓展了高頻、高功率場景下的應(yīng)用邊界，持續(xù)推動半導(dǎo)體封裝向更高集成度、更低損耗的智能集成方向發(fā)展。

3D IC鍵合與集成技術(shù)

3D IC鍵合與集成技術(shù)作為半導(dǎo)體垂直整合的核心支柱，正通過多元化鍵合工藝與系統(tǒng)級優(yōu)化推動三維集成向更高性能、更低功耗演進。在鍵合技術(shù)層面，氧化物熔融鍵合依托LP-CVD氧化物沉積與原子級拋光（Ra<0.4nm）實現(xiàn)超光滑表面，經(jīng)H?O?/去離子水清洗后，通過Si-OH基團氫鍵結(jié)合與真空退火形成共價Si-O-Si鍵，確保晶圓級無縫連接；Cu-Sn共晶鍵合則利用150~280℃低溫工藝實現(xiàn)Cu/Sn-Cu或Cu/Sn-Sn/Cu體系合金化，形成熱力學(xué)穩(wěn)定的Cu?Sn合金（熔點676℃），通過Au/Ni緩沖層控制Sn消耗，適配50μm間距TSV互連；直接Cu-Cu鍵合憑借低溫（<350℃）退火促進銅互擴散與晶粒再結(jié)晶，實現(xiàn)純銅互連的優(yōu)異電熱性能與電遷移抗性，節(jié)距可壓縮至10μm以下；聚合物膠黏劑粘接（如BCB、聚酰亞胺）則通過低溫固化兼容后端工藝，提供應(yīng)力緩沖與異質(zhì)集成能力，但需解決固化回流導(dǎo)致的精密對準(zhǔn)挑戰(zhàn)。

3D IC集成通過垂直堆疊與TSV互連突破二維縮放瓶頸，實現(xiàn)封裝尺寸縮減、成本優(yōu)化與異質(zhì)集成。英特爾2004年3D奔騰4 CPU采用面對面堆疊與背面TSV，實現(xiàn)15%性能提升與15%功耗降低；2007年Teraflops研究芯片通過TSV內(nèi)存總線達成1TB/s總帶寬與2.2W低功耗，驗證了3D集成在帶寬、功耗、設(shè)計自由度上的優(yōu)勢。然而，3D IC亦面臨TSV布局占地（如45nm節(jié)點10μm×10μm TSV等效50個門）、測試復(fù)雜性（跨芯片模塊無法獨立測試）、熱管理（堆疊熱積累）、設(shè)計工具鏈缺失、供應(yīng)鏈協(xié)同及標(biāo)準(zhǔn)缺乏等挑戰(zhàn)。

當(dāng)前，行業(yè)正探索混合鍵合、硅光子集成、碳納米管導(dǎo)熱層等前沿技術(shù)，如混合鍵合通過銅-銅與氧化物復(fù)合鍵合提升互連密度，硅光子集成實現(xiàn)光電協(xié)同計算，而碳基材料則優(yōu)化高頻場景下的熱管理性能，持續(xù)推動3D IC向更高集成度、更低損耗的智能集成方向發(fā)展，在人工智能加速器、5G通信模塊、自動駕駛芯片等領(lǐng)域展現(xiàn)廣闊應(yīng)用前景。

晶圓級3D集成

晶圓級3D集成在WLCSP領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特的技術(shù)路徑與應(yīng)用價值，尤其體現(xiàn)在CMOS圖像傳感器與MEMS封裝的垂直整合中。以Tessera收購的Shellcase技術(shù)為核心，該工藝通過全晶圓級流程實現(xiàn)前后側(cè)互連——硅晶圓與玻璃基板粘接后，經(jīng)減薄至50~100μm，在焊盤擴展區(qū)下方形成溝槽，配合濺射鋁層重布線與焊料凸點沉積，最終通過V形劃片完成芯片分割。

這種設(shè)計在CMOS圖像傳感器中衍生出ShellOP、ShellOC、ShellBGA三種變體：ShellOP提供光學(xué)保護與邊緣布線，ShellOC通過光學(xué)腔提升光接收效率，ShellBGA則適配背照式（BSI）傳感器，通過薄化硅基板減少金屬層散射，增強微光性能。例如，OmniVision OV14825便采用此技術(shù)，實現(xiàn)4416×3312像素陣列與15fps全分辨率輸出，同時支持60fps 1080p視頻拍攝，凸顯其在移動設(shè)備中的薄型化優(yōu)勢。

在MEMS領(lǐng)域，3D晶圓級封裝天然契合其三維機械結(jié)構(gòu)需求。DRIE刻蝕形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)通過CoW/WoW晶圓堆疊與焊球互連，實現(xiàn)ASIC與MEMS芯片的垂直整合，如ASIC倒裝芯片與MEMS芯片面對面鍵合，形成緊湊的傳感模塊。這種集成不僅減少寄生效應(yīng)，還通過共享基板降低整體尺寸，適配可穿戴設(shè)備等空間敏感場景。

然而，通用WLCSP的3D堆疊面臨成本與集成度平衡的挑戰(zhàn)。扇入型WLCSP受限于低I/O計數(shù)與小尺寸，3D集成需求不迫切；而扇出型WLCSP通過TMV與扇出工藝擴展封裝尺寸，可借鑒BGA基板的3D概念，如基于TMV的PoP結(jié)構(gòu)。當(dāng)前，行業(yè)正探索無TSV的微型凸點倒裝芯片互連、銅柱與晶圓成型技術(shù)的整合，為特殊應(yīng)用提供定制化解決方案。例如，Shellcase MVP引入TSV實現(xiàn)垂直互連，減少對焊盤尺寸與間距的限制，提升晶圓利用率；而石墨烯導(dǎo)熱層、硅-玻璃混合鍵合等新材料與工藝的引入，進一步優(yōu)化了熱管理與可靠性。

盡管成本仍是主要障礙，但3D WLCSP在圖像傳感、生物醫(yī)療、工業(yè)傳感等細分領(lǐng)域的創(chuàng)新持續(xù)涌現(xiàn)。例如，集成微流控通道的3D MEMS封裝實現(xiàn)芯片級實驗室功能，或通過異質(zhì)集成將傳感器、處理器與存儲器垂直堆疊，形成智能傳感節(jié)點。這些進展不僅延續(xù)了WLCSP在小型化與高性能上的優(yōu)勢，更通過跨領(lǐng)域技術(shù)融合，推動半導(dǎo)體封裝向更智能、更集成的方向發(fā)展。