详解TSV（硅通孔技术）封装技术

　　硅通孔技术（Through Silicon Via， TSV）技术是一项高密度封装技术，正在逐渐取代目前工艺比较成熟的引线键合技术，被认为是第四代封装技术。TSV技术通过铜、钨、多晶硅等导电物质的填充，实现硅通孔的垂直电气互连。硅通孔技术可以通过垂直互连减小互联长度，减小信号延迟，降低电容/电感，实现芯片间的低功耗，高速通讯，增加宽带和实现器件集成的小型化。基于TSV技术的3D封装主要有以下几个方面优势：

　　1）更好的电气互连性能，

　　2）更宽的带宽，

　　3）更高的互连密度，

　　4）更低的功耗，

　　5）更小的尺寸，

　　6）更轻的质量。

　　图1 未来TSV封装器件示意图

　　TSV工艺主要包括深硅刻蚀形成微孔，绝缘层/阻挡层/种子层的沉积，深孔填充，化学机械抛光，减薄、pad的制备及再分布线制备等工艺技术。主要工艺包括几个部分：

　　（1）通孔的形成；

　　（2）绝缘层、阻挡层和种子层的淀积；

　　（3）铜的填充（电镀）、去除和再分布引线（RDL）电镀；

　　（4）晶圆减薄；

　　（5）晶圆／芯片对准、键合与切片。

　　TSV深孔的填充技术是3D集成的关键技术，也是难度较大的一个环节，TSV填充效果直接关系到集成技术的可靠性和良率等问题，而高的可靠性和良率对于3D TSV 堆叠集成实用化是至关重要的。另外一个方面为在基片减薄过程中保持良好的完整性，避免裂纹扩展是TSV工艺过程中的另一个难点。目前主要的技术难点分为几个方面：

　　（1）通孔的刻蚀——激光刻蚀、深反应离子刻蚀；

　　（2）通孔的填充——材料（多晶硅、铜、钨和高分子导体等）和技术（电镀、化学气相沉积、高分子涂布等）；

　　（3）工艺流程——先通孔或后通孔技术；

　　（4）堆叠形式——晶圆到晶圆、芯片到晶圆或芯片到芯片；

　　（5）键合方式——直接Cu-Cu键合、粘接、直接熔合、焊接和混合等；

　　（6）超薄晶圆的处理——是否使用载体。

　　目前，3D-TSV系统封装技术主要应用于图像传感器、转接板、存储器、逻辑处理器+存储器、移动电话RF模组、MEMS晶圆级三维封装等。

　　表1 TSV三维封装应用领域

　　经过数年研发，目前形成具有高良率、不同深宽比结构、高密度微孔、高导通率的3D封装硅基转接板，可以广泛应用于射频、存储等芯片的三维封装领域。

　　针对目前TSV工艺中的技术难点，采用复合刻蚀技术实现高深宽比结构的微孔制备，采用独特的薄膜沉积技术构建均匀致密的绝缘层，通过精密电沉积技术进行金属互连微通道填充，可以有效控制互连微通道的形貌，以有效解决高密度互连中的散热问题。并通过综合性减薄技术，有效实现超薄TSV转接板的加工，解决在TSV三维封装中减薄工艺容易裂片的问题，实现TSV三维封装的产业化迈开坚实的步伐。

　　上海环芯TSV主要技术参数

　　深宽比：1:1-20:1

　　孔径大小：50 -200μm

　　硅基底厚度：200 -300μm

　　填充状态：实孔、侧孔

　　填充材料：铜、钨

　　通孔良率：》95%

　　图2 TSV封装结构图