半导体第十六讲新型封装课件

1、新型封装技术第十五讲第1页，共47页。电子产品与微电子制造三维电子封装技术层间互连技术高密度键合互连技术主要内容第2页，共47页。电子产品是智能化商品发光发声发热电电磁波运动化学反应光信息声信息电磁信息热信息压力位移化学环境大脑心脏信息系统执行系统感知系统情报收集信息储存信息处理信息指令能量系统能量供给散热系统信息能量信息能量向人体一样包含两大系统：神经网络+血液循环电子产品与微电子制造第3页，共47页。电子产品的核心是集成电路晶体管（脑细胞） 二极管、三极管 集成电路电路（神经网络） 各种布线、各种互连高度集成第4页，共47页。微电子产品的基本构成与互连的关系第5页，共47页。互连作用微纳互

2、连在电子产品中的作用DIEChipChip印刷线路板（PCB）第6页，共47页。晶体管制造与互连 30-500纳米封装体内互连 5-50微米基板上互连 50-500微米仪器设备内互连 1000微米半导体芯片仪器设备组装电子封装印刷板上组装硅片制造集成电路制造中的各级互连第7页，共47页。摩尔定律已接近极限集成与封装的三维化芯片特征尺寸减小特征尺寸趋于极限三维电子封装技术第8页，共47页。今后发展趋势：三维集成与封装SIPSystem in Package第9页，共47页。三维集成与封装的主要方法硅通孔(TSV)叠层 短距离互连 多种芯片集成 实现高密度 更低成本 器件内置多层基板 无源器件集成

3、 MEMS器件集成 多种芯片内置 实现高密度 （摘自2007STRJ报告）典型的3D-封装产品示意图TSV堆叠结构器件内置多层基板TSVThrough Silicon Via 传统打线方法第10页，共47页。TSV使晶圆与封装厂合作变得更紧密晶圆制造电子封装PCB微组装晶圆制造电子封装基板晶圆制造电子封装 1990 System on Board1990 2D-System in Package 22-32nm3D-System IntegrationPOPSoCTSV由单品的高密度，小型化向多功能系统集成化发展由分散独立向技术交叉，紧密合作，共同开发发展晶圆制造电子封装基板2000 45-1

4、30nm，3D-System in PackageWB-3DMCMBGATSV-3D第11页，共47页。三维封装市场需求及市场规模 最近数年，用于TSV封装的晶圆数量将成倍增加，迫使铜互连材料的需求量进一步攀升第12页，共47页。CSCM (Chip Scale Camera Module) WLPTSV在微摄像头（CIS）上的应用东芝第13页，共47页。TSV-3D封装中的关键技术硅孔制作绝缘层、阻挡层和种子层沉积硅孔导电物质填充晶圆减薄晶圆键合第14页，共47页。各工艺所占成本比例 在TSV-3D封装技术中，以铜互连材料及工艺为主的通孔填充和芯片叠层键合在制造成本中所占比例最高，分别达40

5、%，34%，是三维封装中的关键技术日本权威机构预测的制造成本构成第15页，共47页。TSV硅孔镀铜技术低温固态键合技术材料可靠性引线框架塑封树脂微凸点技术新型无铅焊料研究开发层间互连技术高密度键合技术TSV-3D封装中的关键技术第16页，共47页。湿法刻蚀基于KOH 溶液低刻蚀温度、低制造成本、适合于批量生产但由于KOH 溶液对硅单晶的各向异性腐蚀特性，其刻蚀的孔非垂直且宽度较大，只能满足中低引出脚的封装。第17页，共47页。激光加工依靠熔融硅而制作通孔，故内壁粗糙度和热损伤较高；大规模制作通孔有成本优势；可以不需要掩膜版。第18页，共47页。深层等离子体刻蚀工艺( DRIE)孔径小( 5m)

6、 、纵深比高的垂直硅通孔；与IC 工艺兼容；通孔内壁平滑, 对硅片的机械及物理损伤最小；制作成本较高。第19页，共47页。典型的DRIE工艺SF6可以对Si进行快速各向同性的刻蚀；C4F8则沉积在上一步刻蚀的孔洞表面用以保护侧壁；沉积在孔洞底部的C4F8聚合物将被去除，使用SF6进行下一步的刻蚀。第20页，共47页。三种硅通孔制作手段比较通孔制作手段湿法刻蚀干法刻蚀激光钻孔成孔速度111m/min可达50m/min2400通孔/s定位精度掩模决定+掩模决定+传送装置决定，约几m深宽比1:11:601:801:7成孔精度亚微米亚微米10m通孔质量非常好一般好第21页，共47页。晶圆减薄TSV要求

7、芯片减薄至50微米甚至更薄，硅片强度明显下降，并出现一定的韧性；尽量小的芯片损伤，低的内应力,防止晶圆翘曲；机械研磨+湿法抛光。第22页，共47页。研磨、抛光和刻蚀首先用直径9微米氧化铝粉末研磨2h，减薄至70微米；直径0.3微米氧化铝粉末抛光1h，并减薄至3040微米；采用旋转喷射刻蚀除去受损部分并释放研磨和抛光中产生的内应力。旋转喷射刻蚀所用的喷头第23页，共47页。RIE和Backside Processing旋转喷射刻蚀后孔底部距硅片表面只有35微米,经过反应离子刻蚀(RIE)之后露出表面;经光刻和湿法刻蚀使孔底部的铜暴露出来,为下一步的互连做准备。旋转喷射刻蚀后的硅片，左、右边分别为

8、清洗前和清洗后。第24页，共47页。三维叠层封装是今后电子封装技术发展的必然趋势通过硅通孔镀铜互连的TSV封装将成为三维封装技术的主流特征尺寸进入130纳米以下后，已全部采用大马士革镀铜互连工艺镀铜互连的层数逐年增加，目前已普遍达到9-12层芯片间（TSV）铜互连技术：芯片上层间铜互连技术：芯片上层间铜互连基板内层间铜互连硅片间铜互连（TSV）基板内层间铜互连技术基板内的多层化和芯片、器件内置需要大量的铜互连技术层间互连技术超填充镀铜第25页，共47页。Via last镀铜填充Via first多晶硅填充Via last电镀填充（Cu,Ni/Au)微镜头就是采用此方法TSV硅孔导电物质填充方法

9、第26页，共47页。 通过两种以上的添加剂实现高深宽比填充，不允许产生空洞。普通添加剂很难获得满意效果难点之一：特殊的填充机制镀铜互连技术最大难点第27页，共47页。 从TSV数百微米的硅孔，到大马士革铜互连的数十纳米，需要采用不同的添加剂，难度非常大难点之二：填充尺寸跨度大镀铜互连技术最大难点第28页，共47页。 大马士革镀铜，要求每分钟镀一片，TSV要求20分钟以内，业内有采用甲基磺酸铜的倾向难点之三：较高的沉积速率TSV硅孔的孔内面积（平方微米）填孔所需镀铜时间（分钟）数据来源：罗门哈斯镀铜互连技术最大难点第29页，共47页。杂质含量多要求在ppb量级水平，微尘数量必须在很少的范围难点之

10、四：纯度要求高镀铜互连技术最大难点第30页，共47页。我们取得的核心成果Inclined ViasVertical Vias不同硅孔填充效果我们发现的填充机制 我们与上海新阳半导体材料股份公司合作，经过近两年的努力，发现了新的填充机制，据此已成功开发出国内第一代超级镀铜溶液，效果良好。目前，正在进行工业化产品开发第31页，共47页。加速区抑制区极化电位电流我们发现的镀铜超填充机制加速剂尽量在低极化区发挥作用；抑制剂尽可能在高极化区发挥作用第32页，共47页。chipRCCcore substrateadhesivechipRCCcore substrateadhesive基于芯片/器件内置的基

11、板镀铜技术第33页，共47页。电镀/印刷Au/Ni电镀/印刷凸点材质焊锡球金金电镀金金镀层熔融键合基板侧表面材质焊锡层焊锡层制备方法制备方法电镀/印刷电镀/印刷电镀电镀接触键合各项异性导电胶Au/Ni电镀高密度键合互连技术第34页，共47页。含Cr中低温新型无铅焊料Sn-9Zn-0.05Cr Sn-9Zn-0.3Cr Sn-9Zn-0.1Cr Sn-9Zn Sn-9Zn-XCr 00.050.10.3加 热 前 加 热 后25025 h使金相组织显著细化抗氧化性提高近三倍延展性提高30%以上润湿性得到相应改善有效抑制IMC层生长 随着绿色电子技术的发展，微互连关键材料无铅焊料的应用越来越广泛。

12、但目前应用的无铅焊料存在着熔点高、成本高、焊接界面IMC层生长过快或抗氧化性较差，抗冲击性不好等问题。为此，本研究室展开了大量的基础研究工作，成功开发了一系列含微量Cr新型中低温无铅焊料。该成果申请国家发明专利6项（已授权4项）。 微量Cr的作用焊料的抗氧化性IMC层的抑制效果焊料的力学性能Sn-3Ag-3Bi Sn-3Ag-3Bi-0.1Cr Sn-9Zn-3Bi-xCr Sn-3Ag-3Bi-0.3CrSn-3Ag-3Bi上海市浦江人才计划（No.05PJ4065）Journal of Electronic Materials, 35:1734(2006) Cr对Sn-Ag-Bi焊料IMC

13、层的抑制效果第35页，共47页。三维封装对键合技术的新要求键合尺寸进一步降低，凸点等精度要求提高；降低键合温度，减少应力影响尽量避免使用助焊剂前后道工艺有良好兼容性；简化工艺，降低成本；凸点的无铅化；DIEChipChip印刷线路板（PCB）第36页，共47页。高密度微凸点的电沉积制备技术 随着封装密度的提高和三维封装技术的发展，微凸点尺寸与间距变得越来越小。当凸点尺寸缩小到40微米以后，目前工业上采用的置球法和丝网印刷法将难于保证精度，成本也将大幅上升。光刻-电沉积方法是高密度凸点形成的有效方法。本研究所已成功开发了无铅微凸点的整套技术，为今后工业化生产奠定了基础。 电沉积后的微凸点回流后的

14、微凸点电沉积微凸点的制作过程电沉积法制备高密度凸点的优势第37页，共47页。各种各样的电镀凸点电沉积后的Sn凸点回流后的微凸点我们研究室制作的各种凸点Cu/Ni/In凸点第38页，共47页。电镀凸点应注意的事项需要等离子刻蚀镀液要保证良好的浸润性超声处理有助于凸点形成第39页，共47页。低温键合互连技术进展接插式键合互连方法数据来源：日立第40页，共47页。Au-In低温互连低温键合技术进展在低温下生成高熔点的金属间化合物第41页，共47页。基于纳米阵列材料的低温固态互连技术SEM images of the Ni nanocone arrays. (a) Low magnification,

15、 (b) high magnification.Demonstration of the bonding process.Shear strength of the bumps.SEM image of the interface. (a, b) edge of the bump, (c, d) center of the bump. 电子封装中的微互连大都采用焊料的熔融焊接方法，由于存在助焊剂污染，熔融焊料流溢等问题，很难适应今后的三维高密度封装。为此，我们提出了基于纳米阵列材料的低温固态焊接方法，根据目前的初步研究，证明该方法是非常可行的，在今后3D高密度电子封装技术中有望得到推广应用。第

16、42页，共47页。 表面纳米阵列材料是指表面纳米管、纳米球、纳米线、纳米孔等纳米结构有序排列的阵列材料。表面纳米阵列材料可采用光刻，铝氧化模板，气相沉积和自组装等方法制备，但设备和工艺复杂，难于实现大面积可控制备。本技术通过特殊的电化学定向电结晶方法成功开发了镍基、钴基以及铜基表面纳米针锥阵列材料（NCA）的可控制备技术，为在各领域的应用创造了条件。表面纳米阵列材料的可控制备技术不需要任何模板工艺简单、制造成本低材料大小、形状不受限制可在各种基材上实现易于大面积可控制备工艺特点 结构特点 特殊的阵列结构庞大的真实表面积较高的表面活性复合界面高结合强度卓越的散热效果各种化学催化剂的载体良好的场发

17、射效应特殊传感器或纳米器件功能特点 国家自然基金纳米科技基础研究重大专项（No. 90406013）Nanotechnology,19: 035201(2008) 锥晶高200nm 300nm 400nm 600nm 850nm 1100nm 第43页，共47页。电化学制备表面纳米阵列结构材料率先提出定向电结晶制备纳米阵列结构的新方法。它是基于电化学沉积法，通过添加特殊的结晶调整剂，控制电沉积过程等手段，使结晶有序成长，从而在材料表面形成微针锥、微纳米球等阵列结构。表面纳米阵列材料的可控制备技术第44页，共47页。剪切强度（MPa）3.84普通Pd PPF 5.81纳米针阵列10.67纳米针阵

18、列8.08纳米针阵列 微观形貌高可靠性Pd PPF无铅引线框架封装技术 由于Pd PPF无铅引线框架封装技术表面为贵金属，化学反应活性差，对于在高温下可靠性要求高的IC（如汽车发动机周边用IC等）存在引线框架与树脂结合强度低等问题。通过本技术在集成电路引线框架表面引进纳米针阵列结构、使引线框架与封装树脂的结合强度提高两倍以上，大大提高了封装器件的可靠性。NCA Pd PPFNormal Pd PPF引线框架塑封树脂EMC sidePPF side上海市纳米专项基金（No.0452nm030）Journal of Electronic Materials, 36: 1594 (2007)第45页，共47页。600 700 800 500电阻率 XRD结果高密度铜互连材料与可靠性基础研究 防止铜与硅的相互扩散是铜互