半導(dǎo)體第十六講新型封裝課件

1、新型封裝技術(shù)第十五講第1頁(yè)，共47頁(yè)。電子產(chǎn)品與微電子制造三維電子封裝技術(shù)層間互連技術(shù)高密度鍵合互連技術(shù)主要內(nèi)容第2頁(yè)，共47頁(yè)。電子產(chǎn)品是智能化商品發(fā)光發(fā)聲發(fā)熱電電磁波運(yùn)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)光信息聲信息電磁信息熱信息壓力位移化學(xué)環(huán)境大腦心臟信息系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)感知系統(tǒng)情報(bào)收集信息儲(chǔ)存信息處理信息指令能量系統(tǒng)能量供給散熱系統(tǒng)信息能量信息能量向人體一樣包含兩大系統(tǒng)：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)+血液循環(huán)電子產(chǎn)品與微電子制造第3頁(yè)，共47頁(yè)。電子產(chǎn)品的核心是集成電路晶體管（腦細(xì)胞） 二極管、三極管 集成電路電路（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)） 各種布線、各種互連高度集成第4頁(yè)，共47頁(yè)。微電子產(chǎn)品的基本構(gòu)成與互連的關(guān)系第5頁(yè)，共47頁(yè)?；ミB作用微納互

2、連在電子產(chǎn)品中的作用DIEChipChip印刷線路板（PCB）第6頁(yè)，共47頁(yè)。晶體管制造與互連 30-500納米封裝體內(nèi)互連 5-50微米基板上互連 50-500微米儀器設(shè)備內(nèi)互連 1000微米半導(dǎo)體芯片儀器設(shè)備組裝電子封裝印刷板上組裝硅片制造集成電路制造中的各級(jí)互連第7頁(yè)，共47頁(yè)。摩爾定律已接近極限集成與封裝的三維化芯片特征尺寸減小特征尺寸趨于極限三維電子封裝技術(shù)第8頁(yè)，共47頁(yè)。今后發(fā)展趨勢(shì)：三維集成與封裝SIPSystem in Package第9頁(yè)，共47頁(yè)。三維集成與封裝的主要方法硅通孔(TSV)疊層 短距離互連 多種芯片集成 實(shí)現(xiàn)高密度 更低成本 器件內(nèi)置多層基板 無(wú)源器件集成

3、 MEMS器件集成 多種芯片內(nèi)置 實(shí)現(xiàn)高密度 （摘自2007STRJ報(bào)告）典型的3D-封裝產(chǎn)品示意圖TSV堆疊結(jié)構(gòu)器件內(nèi)置多層基板TSVThrough Silicon Via 傳統(tǒng)打線方法第10頁(yè)，共47頁(yè)。TSV使晶圓與封裝廠合作變得更緊密晶圓制造電子封裝PCB微組裝晶圓制造電子封裝基板晶圓制造電子封裝 1990 System on Board1990 2D-System in Package 22-32nm3D-System IntegrationPOPSoCTSV由單品的高密度，小型化向多功能系統(tǒng)集成化發(fā)展由分散獨(dú)立向技術(shù)交叉，緊密合作，共同開發(fā)發(fā)展晶圓制造電子封裝基板2000 45-1

4、30nm，3D-System in PackageWB-3DMCMBGATSV-3D第11頁(yè)，共47頁(yè)。三維封裝市場(chǎng)需求及市場(chǎng)規(guī)模 最近數(shù)年，用于TSV封裝的晶圓數(shù)量將成倍增加，迫使銅互連材料的需求量進(jìn)一步攀升第12頁(yè)，共47頁(yè)。CSCM (Chip Scale Camera Module) WLPTSV在微攝像頭（CIS）上的應(yīng)用東芝第13頁(yè)，共47頁(yè)。TSV-3D封裝中的關(guān)鍵技術(shù)硅孔制作絕緣層、阻擋層和種子層沉積硅孔導(dǎo)電物質(zhì)填充晶圓減薄晶圓鍵合第14頁(yè)，共47頁(yè)。各工藝所占成本比例 在TSV-3D封裝技術(shù)中，以銅互連材料及工藝為主的通孔填充和芯片疊層鍵合在制造成本中所占比例最高，分別達(dá)40

5、%，34%，是三維封裝中的關(guān)鍵技術(shù)日本權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)的制造成本構(gòu)成第15頁(yè)，共47頁(yè)。TSV硅孔鍍銅技術(shù)低溫固態(tài)鍵合技術(shù)材料可靠性引線框架塑封樹脂微凸點(diǎn)技術(shù)新型無(wú)鉛焊料研究開發(fā)層間互連技術(shù)高密度鍵合技術(shù)TSV-3D封裝中的關(guān)鍵技術(shù)第16頁(yè)，共47頁(yè)。濕法刻蝕基于KOH 溶液低刻蝕溫度、低制造成本、適合于批量生產(chǎn)但由于KOH 溶液對(duì)硅單晶的各向異性腐蝕特性，其刻蝕的孔非垂直且寬度較大，只能滿足中低引出腳的封裝。第17頁(yè)，共47頁(yè)。激光加工依靠熔融硅而制作通孔，故內(nèi)壁粗糙度和熱損傷較高；大規(guī)模制作通孔有成本優(yōu)勢(shì)；可以不需要掩膜版。第18頁(yè)，共47頁(yè)。深層等離子體刻蝕工藝( DRIE)孔徑小( 5m)

6、 、縱深比高的垂直硅通孔；與IC 工藝兼容；通孔內(nèi)壁平滑, 對(duì)硅片的機(jī)械及物理?yè)p傷最??；制作成本較高。第19頁(yè)，共47頁(yè)。典型的DRIE工藝SF6可以對(duì)Si進(jìn)行快速各向同性的刻蝕；C4F8則沉積在上一步刻蝕的孔洞表面用以保護(hù)側(cè)壁；沉積在孔洞底部的C4F8聚合物將被去除，使用SF6進(jìn)行下一步的刻蝕。第20頁(yè)，共47頁(yè)。三種硅通孔制作手段比較通孔制作手段濕法刻蝕干法刻蝕激光鉆孔成孔速度111m/min可達(dá)50m/min2400通孔/s定位精度掩模決定+掩模決定+傳送裝置決定，約幾m深寬比1:11:601:801:7成孔精度亞微米亞微米10m通孔質(zhì)量非常好一般好第21頁(yè)，共47頁(yè)。晶圓減薄TSV要求

7、芯片減薄至50微米甚至更薄，硅片強(qiáng)度明顯下降，并出現(xiàn)一定的韌性；盡量小的芯片損傷，低的內(nèi)應(yīng)力,防止晶圓翹曲；機(jī)械研磨+濕法拋光。第22頁(yè)，共47頁(yè)。研磨、拋光和刻蝕首先用直徑9微米氧化鋁粉末研磨2h，減薄至70微米；直徑0.3微米氧化鋁粉末拋光1h，并減薄至3040微米；采用旋轉(zhuǎn)噴射刻蝕除去受損部分并釋放研磨和拋光中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。旋轉(zhuǎn)噴射刻蝕所用的噴頭第23頁(yè)，共47頁(yè)。RIE和Backside Processing旋轉(zhuǎn)噴射刻蝕后孔底部距硅片表面只有35微米,經(jīng)過反應(yīng)離子刻蝕(RIE)之后露出表面;經(jīng)光刻和濕法刻蝕使孔底部的銅暴露出來(lái),為下一步的互連做準(zhǔn)備。旋轉(zhuǎn)噴射刻蝕后的硅片，左、右邊分別為

8、清洗前和清洗后。第24頁(yè)，共47頁(yè)。三維疊層封裝是今后電子封裝技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)通過硅通孔鍍銅互連的TSV封裝將成為三維封裝技術(shù)的主流特征尺寸進(jìn)入130納米以下后，已全部采用大馬士革鍍銅互連工藝鍍銅互連的層數(shù)逐年增加，目前已普遍達(dá)到9-12層芯片間（TSV）銅互連技術(shù)：芯片上層間銅互連技術(shù)：芯片上層間銅互連基板內(nèi)層間銅互連硅片間銅互連（TSV）基板內(nèi)層間銅互連技術(shù)基板內(nèi)的多層化和芯片、器件內(nèi)置需要大量的銅互連技術(shù)層間互連技術(shù)超填充鍍銅第25頁(yè)，共47頁(yè)。Via last鍍銅填充Via first多晶硅填充Via last電鍍填充（Cu,Ni/Au)微鏡頭就是采用此方法TSV硅孔導(dǎo)電物質(zhì)填充方法

9、第26頁(yè)，共47頁(yè)。 通過兩種以上的添加劑實(shí)現(xiàn)高深寬比填充，不允許產(chǎn)生空洞。普通添加劑很難獲得滿意效果難點(diǎn)之一：特殊的填充機(jī)制鍍銅互連技術(shù)最大難點(diǎn)第27頁(yè)，共47頁(yè)。 從TSV數(shù)百微米的硅孔，到大馬士革銅互連的數(shù)十納米，需要采用不同的添加劑，難度非常大難點(diǎn)之二：填充尺寸跨度大鍍銅互連技術(shù)最大難點(diǎn)第28頁(yè)，共47頁(yè)。 大馬士革鍍銅，要求每分鐘鍍一片，TSV要求20分鐘以內(nèi)，業(yè)內(nèi)有采用甲基磺酸銅的傾向難點(diǎn)之三：較高的沉積速率TSV硅孔的孔內(nèi)面積（平方微米）填孔所需鍍銅時(shí)間（分鐘）數(shù)據(jù)來(lái)源：羅門哈斯鍍銅互連技術(shù)最大難點(diǎn)第29頁(yè)，共47頁(yè)。雜質(zhì)含量多要求在ppb量級(jí)水平，微塵數(shù)量必須在很少的范圍難點(diǎn)之

10、四：純度要求高鍍銅互連技術(shù)最大難點(diǎn)第30頁(yè)，共47頁(yè)。我們?nèi)〉玫暮诵某晒鸌nclined ViasVertical Vias不同硅孔填充效果我們發(fā)現(xiàn)的填充機(jī)制 我們與上海新陽(yáng)半導(dǎo)體材料股份公司合作，經(jīng)過近兩年的努力，發(fā)現(xiàn)了新的填充機(jī)制，據(jù)此已成功開發(fā)出國(guó)內(nèi)第一代超級(jí)鍍銅溶液，效果良好。目前，正在進(jìn)行工業(yè)化產(chǎn)品開發(fā)第31頁(yè)，共47頁(yè)。加速區(qū)抑制區(qū)極化電位電流我們發(fā)現(xiàn)的鍍銅超填充機(jī)制加速劑盡量在低極化區(qū)發(fā)揮作用；抑制劑盡可能在高極化區(qū)發(fā)揮作用第32頁(yè)，共47頁(yè)。chipRCCcore substrateadhesivechipRCCcore substrateadhesive基于芯片/器件內(nèi)置的基

11、板鍍銅技術(shù)第33頁(yè)，共47頁(yè)。電鍍/印刷Au/Ni電鍍/印刷凸點(diǎn)材質(zhì)焊錫球金金電鍍金金鍍層熔融鍵合基板側(cè)表面材質(zhì)焊錫層焊錫層制備方法制備方法電鍍/印刷電鍍/印刷電鍍電鍍接觸鍵合各項(xiàng)異性導(dǎo)電膠Au/Ni電鍍高密度鍵合互連技術(shù)第34頁(yè)，共47頁(yè)。含Cr中低溫新型無(wú)鉛焊料Sn-9Zn-0.05Cr Sn-9Zn-0.3Cr Sn-9Zn-0.1Cr Sn-9Zn Sn-9Zn-XCr 00.050.10.3加 熱 前 加 熱 后25025 h使金相組織顯著細(xì)化抗氧化性提高近三倍延展性提高30%以上潤(rùn)濕性得到相應(yīng)改善有效抑制IMC層生長(zhǎng) 隨著綠色電子技術(shù)的發(fā)展，微互連關(guān)鍵材料無(wú)鉛焊料的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

12、但目前應(yīng)用的無(wú)鉛焊料存在著熔點(diǎn)高、成本高、焊接界面IMC層生長(zhǎng)過快或抗氧化性較差，抗沖擊性不好等問題。為此，本研究室展開了大量的基礎(chǔ)研究工作，成功開發(fā)了一系列含微量Cr新型中低溫?zé)o鉛焊料。該成果申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利6項(xiàng)（已授權(quán)4項(xiàng)）。 微量Cr的作用焊料的抗氧化性IMC層的抑制效果焊料的力學(xué)性能Sn-3Ag-3Bi Sn-3Ag-3Bi-0.1Cr Sn-9Zn-3Bi-xCr Sn-3Ag-3Bi-0.3CrSn-3Ag-3Bi上海市浦江人才計(jì)劃（No.05PJ4065）Journal of Electronic Materials, 35:1734(2006) Cr對(duì)Sn-Ag-Bi焊料IMC

13、層的抑制效果第35頁(yè)，共47頁(yè)。三維封裝對(duì)鍵合技術(shù)的新要求鍵合尺寸進(jìn)一步降低，凸點(diǎn)等精度要求提高；降低鍵合溫度，減少應(yīng)力影響盡量避免使用助焊劑前后道工藝有良好兼容性；簡(jiǎn)化工藝，降低成本；凸點(diǎn)的無(wú)鉛化；DIEChipChip印刷線路板（PCB）第36頁(yè)，共47頁(yè)。高密度微凸點(diǎn)的電沉積制備技術(shù) 隨著封裝密度的提高和三維封裝技術(shù)的發(fā)展，微凸點(diǎn)尺寸與間距變得越來(lái)越小。當(dāng)凸點(diǎn)尺寸縮小到40微米以后，目前工業(yè)上采用的置球法和絲網(wǎng)印刷法將難于保證精度，成本也將大幅上升。光刻-電沉積方法是高密度凸點(diǎn)形成的有效方法。本研究所已成功開發(fā)了無(wú)鉛微凸點(diǎn)的整套技術(shù)，為今后工業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。 電沉積后的微凸點(diǎn)回流后的

14、微凸點(diǎn)電沉積微凸點(diǎn)的制作過程電沉積法制備高密度凸點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)第37頁(yè)，共47頁(yè)。各種各樣的電鍍凸點(diǎn)電沉積后的Sn凸點(diǎn)回流后的微凸點(diǎn)我們研究室制作的各種凸點(diǎn)Cu/Ni/In凸點(diǎn)第38頁(yè)，共47頁(yè)。電鍍凸點(diǎn)應(yīng)注意的事項(xiàng)需要等離子刻蝕鍍液要保證良好的浸潤(rùn)性超聲處理有助于凸點(diǎn)形成第39頁(yè)，共47頁(yè)。低溫鍵合互連技術(shù)進(jìn)展接插式鍵合互連方法數(shù)據(jù)來(lái)源：日立第40頁(yè)，共47頁(yè)。Au-In低溫互連低溫鍵合技術(shù)進(jìn)展在低溫下生成高熔點(diǎn)的金屬間化合物第41頁(yè)，共47頁(yè)。基于納米陣列材料的低溫固態(tài)互連技術(shù)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. 電子封裝中的微互連大都采用焊料的熔融焊接方法，由于存在助焊劑污染，熔融焊料流溢等問題，很難適應(yīng)今后的三維高密度封裝。為此，我們提出了基于納米陣列材料的低溫固態(tài)焊接方法，根據(jù)目前的初步研究，證明該方法是非常可行的，在今后3D高密度電子封裝技術(shù)中有望得到推廣應(yīng)用。第

16、42頁(yè)，共47頁(yè)。 表面納米陣列材料是指表面納米管、納米球、納米線、納米孔等納米結(jié)構(gòu)有序排列的陣列材料。表面納米陣列材料可采用光刻，鋁氧化模板，氣相沉積和自組裝等方法制備，但設(shè)備和工藝復(fù)雜，難于實(shí)現(xiàn)大面積可控制備。本技術(shù)通過特殊的電化學(xué)定向電結(jié)晶方法成功開發(fā)了鎳基、鈷基以及銅基表面納米針錐陣列材料（NCA）的可控制備技術(shù)，為在各領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。表面納米陣列材料的可控制備技術(shù)不需要任何模板工藝簡(jiǎn)單、制造成本低材料大小、形狀不受限制可在各種基材上實(shí)現(xiàn)易于大面積可控制備工藝特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 特殊的陣列結(jié)構(gòu)龐大的真實(shí)表面積較高的表面活性復(fù)合界面高結(jié)合強(qiáng)度卓越的散熱效果各種化學(xué)催化劑的載體良好的場(chǎng)發(fā)

17、射效應(yīng)特殊傳感器或納米器件功能特點(diǎn) 國(guó)家自然基金納米科技基礎(chǔ)研究重大專項(xiàng)（No. 90406013）Nanotechnology,19: 035201(2008) 錐晶高200nm 300nm 400nm 600nm 850nm 1100nm 第43頁(yè)，共47頁(yè)。電化學(xué)制備表面納米陣列結(jié)構(gòu)材料率先提出定向電結(jié)晶制備納米陣列結(jié)構(gòu)的新方法。它是基于電化學(xué)沉積法，通過添加特殊的結(jié)晶調(diào)整劑，控制電沉積過程等手段，使結(jié)晶有序成長(zhǎng)，從而在材料表面形成微針錐、微納米球等陣列結(jié)構(gòu)。表面納米陣列材料的可控制備技術(shù)第44頁(yè)，共47頁(yè)。剪切強(qiáng)度（MPa）3.84普通Pd PPF 5.81納米針陣列10.67納米針陣

18、列8.08納米針陣列 微觀形貌高可靠性Pd PPF無(wú)鉛引線框架封裝技術(shù) 由于Pd PPF無(wú)鉛引線框架封裝技術(shù)表面為貴金屬，化學(xué)反應(yīng)活性差，對(duì)于在高溫下可靠性要求高的IC（如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)周邊用IC等）存在引線框架與樹脂結(jié)合強(qiáng)度低等問題。通過本技術(shù)在集成電路引線框架表面引進(jìn)納米針陣列結(jié)構(gòu)、使引線框架與封裝樹脂的結(jié)合強(qiáng)度提高兩倍以上，大大提高了封裝器件的可靠性。NCA Pd PPFNormal Pd PPF引線框架塑封樹脂EMC sidePPF side上海市納米專項(xiàng)基金（No.0452nm030）Journal of Electronic Materials, 36: 1594 (2007)第45頁(yè)，共47頁(yè)。600 700 800 500電阻率 XRD結(jié)果高密度銅互連材料與可靠性基礎(chǔ)研究 防止銅與硅的相互擴(kuò)散是銅互