电子封装技术丛书–三维电子封装的硅通孔技术

　   硅通孔（TSV）技术是目前半导体制造业中*为先进的一项颠覆性技术，是三维硅（3D Si）集成技术和三维芯片（3D IC）集成技术的核心和关键。TSV技术具有更好的电性能、更低的功耗、更宽的带宽、更高的密度、更小的外形尺寸、更小的重量等优势。 
   《三维电子封装的硅通孔技术》是美国知名专家John Lau博士关于TSV关键技术的**力作，国内**本详细介绍TSV关键技术的专著。John Lau博士在微电子行业拥有超过36年的研发经验。
   本书原版一经出版就受到国际学者的关注。中译本由中国电子学会电子制造与封装技术分会邀请国内从事TSV相关技术的知名专家翻译并审校，集中体现了国际上**的研究成果。 
   《三维电子封装的硅通孔技术》不仅详细介绍了制作TSV所需的6个关键工艺，同时还对三维集成的关键技术——薄晶圆的强度测量和拿持、晶圆微凸点制作、组装技术以及电迁移问题，以及热管理等进行了详细讨论。*后作者还给出了具备量产潜力的三维封装技术以及TSV技术的未来发展趋势。 
   《三维电子封装的硅通孔技术》对3D集成这个极具吸引力的领域给出了一个全面及时的总结，适合3D集成技术研究与开发的专业人员、寻求3D集成问题解决方案的人员、从事互连系统低功耗宽带宽设计人员以及高良率制造工艺开发人员阅读。

“电子封装技术丛书”目前已出版如下4个分册，推荐您同时关注：

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　　本书系统讨论了用于电子、光电子和微机电系统（MEMS）器件的三维集成硅通孔（TSV）技术的*进展和可能的演变趋势，详尽讨论了三维集成关键技术中存在的主要工艺问题和潜在解决方案。首先介绍了半导体工业中的纳米技术和三维集成技术的起源和演变历史，然后重点讨论TSV制程技术、晶圆减薄与薄晶圆在封装组装过程中的拿持技术、三维堆叠的微凸点制作与组装技术、芯片与芯片键合技术、芯片与晶圆键合技术、晶圆与晶圆键合技术、三维器件集成的热管理技术以及三维集成中的可靠性问题等，*后讨论了具备量产潜力的三维封装技术以及TSV技术的未来发展趋势。

　　本书适合从事电子、光电子、MEMS等器件三维集成的工程师、科研人员和技术管理人员阅读，也可以作为相关专业大学高年级本科生和研究生教材和参考书。

第1章半导体工业中的纳米技术和3D集成技术
　1.1引言
　1.2纳米技术
　　1.2.1纳米技术的起源
　　1.2.2纳米技术的重要里程碑
　　1.2.3石墨烯与电子工业
　　1.2.4纳米技术展望
　　1.2.5摩尔定律：电子工业中的纳米技术
　　1.33D集成技术
　1.3.1TSV技术
　　1.3.D集成技术的起源
　1.43D Si集成技术展望与挑战
　1.4.D Si集成技术
　　1.4.D Si集成键合组装技术
　　1.4.33D Si集成技术面临的挑战
　　1.4.43D Si集成技术展望
　　1.53D IC集成技术的潜在应用与挑战
　1.5.D IC集成技术的定义
　　1.5.2移动电子产品的未来需求
　　1.5.3带宽和宽I/O的定义
　　1.5.4存储带宽
　　1.5.5存储芯片堆叠
　　1.5.6宽I/O存储器
　　1.5.7宽I/O动态随机存储器（DRAM）
　　1.5.8宽I/O接口
　　1.5.92.5D与3D IC集成（无源与有源转接板）技术
　1.62.5D IC集成（转接板）技术的进展
　　1.6.1用作中间基板的转接板
　　1.6.2用于释放应力的转接板
　　1.6.3用作载板的转接板
　　1.6.4用于热管理的转接板
　1.73D IC集成无源TSV转接板技术的新趋势
　　1.7.1双面贴装空腔式转接板技术
　　1.7.2有机基板开孔式转接板技术
　　1.7.3设计举例
　　1.7.4带散热块的有机基板开孔式转接板技术
　　1.7.5超低成本转接板
　　1.7.6用于热管理的转接板技术
　　1.7.7用于LED和SiP封装的带埋入式微流体通道的转接板技术
　1.8埋入式3D IC集成技术
　　1.8.1带应力释放间隙的半埋入式转接板
　　1.8.2用于光电子互连的埋入式3D 混合IC集成技术
　1.9总结与建议
　　1.参考文献
第2章TSV技术
　2.1引言
　2.2TSV的发明
　2.3采用TSV技术的量产产品
　2.4TSV孔的制作
　 2.4.1DRIE与激光打孔
　2.4.2制作锥形孔的DRIE工艺
　　2.4.3制作直孔的DRIE工艺
　2.5绝缘层制作
　　2.5.1热氧化法制作锥形孔绝缘层
　　2.5.2PECVD法制作锥形孔绝缘层
　　2.5.3PECVD法制作直孔绝缘层的实验设计
　　2.5.4实验设计结果
　　2.5.5总结与建议
　2.6阻挡层与种子层制作
　　2.6.1锥形TSV孔的Ti阻挡层与Cu种子层
　　2.6.2直TSV孔的Ta阻挡层与Cu种子层
　　2.6.3直TSV孔的Ta阻挡层沉积实验与结果
　　2.6.4直TSV孔的Cu种子层沉积实验与结果
　2.6.5总结与建议
　2.7TSV电镀Cu填充
　　2.7.1电镀Cu填充锥形TSV孔
　　2.7.2电镀Cu填充直TSV孔
　　2.7.3直TSV盲孔的漏电测试
　　2.7.4总结与建议
　2.8残留电镀Cu的化学机械抛光（CMP）
　　2.8.1锥形TSV的化学机械抛光
　　2.8.2直TSV的化学机械抛光
　　2.8.3总结与建议
　2.9TSV Cu外露
　　2.9.1CMP湿法工艺
　　2.9.2干法刻蚀工艺
　　2.9.3总结与建议
　2.10FEOL与BEOL
　2.11TSV工艺
　　2.11.1键合前制孔工艺
　　2.11.2键合后制孔工艺
　　2.11.3先孔工艺
　　2.11.4中孔工艺
　　2.11.5正面后孔工艺
　　2.11.6背面后孔工艺
　　2.11.7无源转接板
　　2.11.8总结与建议
　2.12参考文献
第3章TSV的力学、热学与电学行为
　3.1引言
　3.2SiP封装中TSV的力学行为
　　3.2.1有源/无源转接板中TSV的力学行为
　　3.2.2可靠性设计（DFR）结果
　　3.2.3含RDL层的TSV
　　3.2.4总结与建议
　3.3存储芯片堆叠中TSV的力学行为
　　3.3.1模型与方法
　　3.3.2TSV的非线性热应力分析
　　3.3.3修正的虚拟裂纹闭合技术
　　3.3.4TSV界面裂纹的能量释放率
　　3.3.5TSV界面裂纹能量释放率的参数研究
　　3.3.6总结与建议
　3.4TSV的热学行为
　　3.4.1TSV芯片/转接板的等效热导率
　　3.4.2TSV节距对TSV芯片/转接板等效热导率的影响
　　3.4.3TSV填充材料对TSV芯片/转接板等效热导率的影响
　　3.4.4TSV Cu填充率对TSV芯片/转接板等效热导率的影响
　　3.4.5更精确的计算模型
　　3.4.6总结与建议
　3.5TSV的电学性能
　　3.5.1电学结构
　　3.5.2模型与方程
　　3.5.3总结与建议
　3.6盲孔TSV的电测试
　　3.6.1测试目的
　　3.6.2测试原理与仪器
　　3.6.3测试方法与结果
　　3.6.4盲孔TSV电测试指引
　　3.6.5总结与建议
　3.7参考文献
第4章薄晶圆的强度测量
　4.1引言
　4.2用于薄晶圆强度测量的压阻应力传感器
　　4.2.1压阻应力传感器及其应用
　　4.2.2压阻应力传感器的设计与制作
　　4.2.3压阻应力传感器的校准
　　4.2.4背面磨削后晶圆的应力
　　4.2.5切割胶带上晶圆的应力
　　4.2.6总结与建议
　4.3晶圆背面磨削对Culowk芯片力学行为的影响
　　4.3.1实验方法
　　4.3.2实验过程
　　4.3.3结果与讨论
　　4.3.4总结与建议
　4.4参考文献
第5章薄晶圆拿持技术
　5.1引言
　5.2晶圆减薄与薄晶圆拿持
　5.3黏合是关键
　5.4薄晶圆拿持问题与可能的解决方案
　 5.4.200mm薄晶圆的拿持
　 5.4.200mm薄晶圆的拿持
　5.5切割胶带对含Cu/Au焊盘薄晶圆拿持的影响
　5.6切割胶带对含有CuNiAu凸点下金属(UBM)薄晶圆拿持的影响
　5.7切割胶带对含RDL和焊锡凸点TSV转接板薄晶圆拿持的影响
　5.8薄晶圆拿持的材料与设备
　5.9薄晶圆拿持的黏合剂和工艺指引
　　5.9.1黏合剂的选择
　　5.9.2薄晶圆拿持的工艺指引
　5.10总结与建议
　5.11M公司的晶圆支撑系统
　　5.12EVG公司的临时键合与解键合系统
　　5.12.1临时键合
　　5.12.2解键合
　5.13无载体的薄晶圆拿持技术
　　5.13.1基本思路
　　5.13.2设计与工艺
　　5.13.3总结与建议
　5.14参考文献
第6章微凸点制作、组装与可靠性
　6.1引言
　A部分：晶圆微凸点制作工艺
　6.2内容概述
　6.3普通焊锡凸点制作的电镀方法
　6.43D IC集成SiP的组装工艺
　6.5晶圆微凸点制作的电镀方法
　 6.5.1测试模型
　　6.5.2采用共形Cu电镀和Sn电镀制作晶圆微凸点
　　6.5.3采用非共形Cu电镀和Sn电镀制作晶圆微凸点
　6.6制作晶圆微凸点的电镀工艺参数
　6.7总结与建议
　B部分：超细节距晶圆微凸点的制作、组装与可靠性评估
　6.8细节距无铅焊锡微凸点
　　6.8.1测试模型
　　6.8.2微凸点制作
　　6.8.3微凸点表征
　6.9C2C互连细节距无铅焊锡微凸点的组装
　　6.9.1组装方法、表征方法与可靠性评估方法
　　6.9.2C2C自然回流焊组装工艺
　　6.9.3C2C自然回流焊组装工艺效果的表征
　　6.9.4C2C热压键合(TCB)组装工艺
　　6.9.5C2C热压键合(TCB)组装工艺效果的表征
　　6.9.6组装可靠性评估
　6.10超细节距晶圆无铅焊锡微凸点的制作
　　6.10.1测试模型
　　6.10.2微凸点制作
　　6.10.3超细节距微凸点的表征
　6.11总结与建议
　6.12参考文献
第7章微凸点的电迁移
　7.1引言
　7.2大节距大体积微焊锡接点
　　7.2.1测试模型与测试方法
　　7.2.2测试步骤
　　7.2.3测试前试样的微结构
　　7.2.40℃、低电流密度条件下测试后的试样
　　7.2.50℃、高电流密度条件下测试后的试样
　　7.2.6焊锡接点的失效机理
　　7.2.7总结与建议
　7.3小节距小体积微焊锡接点
　　7.3.1测试模型与方法
　　7.3.2结果与讨论
　　7.3.3总结与建议
　7.4参考文献
第8章芯片到芯片、芯片到晶圆、晶圆到晶圆键合
　8.1引言
　8.2低温焊料键合基本原理
　8.3低温C2C键合［(SiO2/Si3N4/Ti/Cu)到
　　(SiO2/Si3N4/Ti/Cu/In/Sn/Au)］
　　8.3.1测试模型
　　8.3.2拉力测试结果
　　8.3.3X射线衍射与透射电镜观察结果
　8.4低温C2C键合［(SiO2/Ti/Cu/Au/Sn/In/Sn/Au)到
　　(SiO2/Ti/Cu/Sn/In/Sn/Au)］
　　8.4.1测试模型
　　8.4.2测试结果评估
　8.5低温C2W键合［(SiO2/Ti/Au/Sn/In/Au)到(SiO2/Ti/Au)］
　　8.5.1焊料设计
　　8.5.2测试模型
　　8.5.3用于3D IC芯片堆叠的InSnAu低温键合
　　8.5.4InSnAu IMC层的SEM、TEM、XDR、DSC分析
　　8.5.5InSnAu IMC层的弹性模量和硬度
　　8.5.6三次回流后的InSnAu IMC层
　　8.5.7InSnAu IMC层的剪切强度
　　8.5.8InSnAu IMC层的电阻
　　8.5.9InSnAu IMC层的热稳定性
　　8.5.总结与建议
　8.6低温W2W键合［TiCuTiAu到TiCuTiAuSnInSnInAu］
　　8.6.1测试模型
　　8.6.2测试模型制作
　　8.6.3低温W2W键合
　　8.6.4CSAM检测
　　8.6.5微结构的SEM/EDX/FIB/TEM分析
　　8.6.6氦泄漏率测试与结果
　　8.6.7可靠性测试与结果
　　8.6.8总结与建议
　8.7参考文献
第9章3D IC集成的热管理
　9.1引言
　9.2TSV转接板对3D SiP封装热性能的影响
　　9.2.1封装的几何参数与材料的热性能参数
　　9.2.2TSV转接板对封装热阻的影响
　　9.2.3芯片功率的影响
　　9.2.4TSV转接板尺寸的影响
　　9.2.5TSV转接板厚度的影响
　　9.2.6芯片尺寸的影响
　9.33D存储芯片堆叠封装的热性能
　　9.3.1均匀热源3D堆叠TSV芯片的热性能
　　9.3.2非均匀热源3D堆叠TSV芯片的热性能
　　9.3.3各带一个热源的两个TSV芯片
　　9.3.4各带两个热源的两个TSV芯片
　　9.3.5交错热源作用下的两个TSV芯片
　9.4TSV芯片厚度对热点温度的影响
　9.5总结与建议
　9.63D SiP封装的TSV和微通道热管理系统
　　9.6.1测试模型
　　9.6.2测试模型制作
　　9.6.3晶圆到晶圆键合
　　9.6.4热性能与电性能
　　9.6.5品质与可靠性
　　9.6.6总结与建议
　9.7参考文献
第10章3D IC封装
　10.1引言
　10.2TSV技术与引线键合技术的成本比较
　10.3Culowk芯片堆叠的引线键合
　　10.3.1测试模型
　　10.3.2Culowk焊盘上的应力
　　10.3.3组装与工艺
　　10.3.4总结与建议
　10.4芯片到芯片的面对面堆叠
　　10.4.1用于3D IC封装的AuSn互连
　　10.4.2测试模型
　　10.4.3C2W组装
　　10.4.4C2W实验设计
　 10.4.5可靠性测试与结果
　10.4.6用于3D IC封装的SnAg互连
　10.4.7总结与建议5
　10.5用于低成本、高性能与高密度SiP封装的面对面互连
　　10.5.1用于超细节距Culowk芯片的Cu柱互连技术
　　10.5.2可靠性评估
　　10.5.3一些新的设计
　10.6埋入式晶圆级封装（eWLP）到芯片的互连
　　10.6.D eWLP与再布线芯

　　……
第11章3D集成的发展趋势

“译序

集成电路产业作为国民经济和社会发展的战略性、基础性和先导性产业，具有极强的创新能力和融合力，已经渗透到人民生活、生产以及社会安全的方方面面。拥有强大的集成电路技术和产业，已成为迈向创新性国家的重要标志。特别是当前云计算、物联网、移动互联网等成为各界关注和投资的热点，没有强大的集成电路产业作为支撑和基础，这些战略性新兴产业无疑是建立在流沙基础之上，产业发展可能面临“空芯化”的局面。迄今为止集成电路技术一直沿着摩尔定律卓有成效地发展，但随着32nm以下线宽技术在单一芯片集成、高密度和多功能等方面进展越来越困难，成本也越来越高，于是出现了新的解决方案，即超越摩尔定律。
三维(3D)集成技术是目前被认定为超越摩尔定律可持续实现小型化、高密度、多功能化的解决方案，而硅通孔（TSV）技术，则被认为是三维(3D)集成的核心，即是三维硅(3D Si)集成技术和三维芯片（3D IC）集成技术的关键。TSV技术具有六大关键工序，可实现芯片与芯片间距离短、间距小的互连，与引线键合互连相比有六大优点。
为了适应我国日新月异的电子封装业的发展，满足广大电子封装工程技术人员的迫切需求，中国电子学会电子制造与封装技术分会成立了《电子封装技术丛书》编辑委员会，组织丛书的编译工作。
近年来，丛书编辑委员会已先后组织编写、翻译出版了《集成电路试验手册》（1998年电子工业出版社出版）、《微电子封装手册》（2001年电子工业出版社出版）、《微电子封装技术》（2003年中国科学技术大学出版社出版）、《电子封装材料与工艺》（2006年化学工业出版社出版）、《MEMS/MOEMS封装技术》（2008年化学工业出版社出版）、《电子封装工艺设备》（2012年化学工业出版社出版）、《电子封装与可靠性》（2012年化学工业出版社出版）、《系统级封装导论》（2014年化学工业出版社出版）共八本书籍。《三维电子封装的硅通孔技术》一书是这一系列丛书中第九本。正在编写中的系列丛书之五《光电子封装》，也将于近期出版，以飨读者。
本书译自John HLau(刘汉诚)博士编写的“ThroughSilicon Vias for 3D Integration”，该书的内容涉及半导体技术产业中的纳米技术和三维集成技术的起源和演变历史，并重点讨论TSV制作技术、晶圆减薄与薄晶圆在封装过程中的拿持技术、晶圆与晶圆键合技术、三维器件集成的热管理技术及三维集成中的可靠性问题等。后讨论了量产三维封装技术及TSV未来发展趋势。该书对从事电子封装及相关行业的科研、生产、应用工作者都会有较高的使用价值。对高等院校、相关师生也具有一定的参考价值。
我相信本书中译本的出版发行将对我国电子封装产业及系统级集成技术的发展起到积极的推动作用。在本书的翻译出版过程中，长期从事电子封装技术研究的秦飞教授、朱文辉博士、曹立强博士做了许多工作，在此表示由衷的谢意。同时，我也向北京工业大学参与组织该书翻译的全体师生及出版社工作人员，表示衷心的感谢！

译者的话

摩尔定律自1965年被提出以来，一直卓有成效地指引电子器件技术的发展方向。但随着32nm以下线宽技术的出现，使人们日益认识到在单一芯片集成更高密度的电路和实现更多的功能越来越困难，成本也越来越高，于是出现了“超越摩尔（More than Moore）”的呼声。三维（3D）集成技术目前被认定为是超越摩尔定律，持续实现器件小型化、高密度、多功能化的解决方案，而硅通孔（TSV）技术则被认为是3D集成的核心。近年来越来越多的企业和研发机构投入大量人力和物力从事TSV及其相关技术的研究，以期在未来的3D时代取得竞争优势。这些企业的工程师、研发人员和技术管理人员以及研发机构的科学家都迫切需要深入了解3D集成TSV及其相关技术，如TSV制程、晶圆减薄与拿持技术、3D堆叠的微凸点技术、芯片到芯片键合技术、芯片到晶圆键合技术、晶圆到晶圆键合技术以及3D集成中遇到的可靠性问题等。
John HLau博士2013年出版的英文版专著“ThroughSilicon Vias for 3D Integration”(《三维电子封装的硅通孔技术》)基于的研究成果和发展趋势，系统详尽地讨论了3D集成TSV技术的关键工艺问题及其潜在的解决方案，内容涵盖了3D集成技术领域的几乎所有方面。对于希望掌握3D集成TSV相关技术的人员来说，该书不可不读。
为满足国内企业技术人员和科研人员的需要，中国电子学会电子制造与封装技术分会、《电子封装技术丛书》编辑委员会组织了英文版专著的翻译工作。全书由秦飞、曹立强翻译，由秦飞教授统稿，朱文辉博士对全书内容进行了认真审阅和校正。《电子封装技术丛书》编辑委员会主任毕克允教授对翻译工作给予了大力支持和精心指导。北京工业大学先进电子封装技术与可靠性实验室的安彤、夏国峰、别晓锐、武伟、陈思等参与了图片、参考文献资料的整理和翻译工作。
翻译过程中，力求准确再现英文版的技术细节，并在认真核对的基础上，对英文版中的个别地方进行了补漏。对于英文版中采用的英制单位，中文版中未做处理，但以附录的形式给出了英制和国际单位制之间的换算表，以方便读者。考虑到书中大量使用缩略语，中文版以附录形式列出了缩略语表。
书中不妥之处，敬请读者批评指正。

译者

英文版序

三维（3D）集成技术特别是3D IC集成技术正席卷半导体工业，主要表现在：（1）3D集成技术影响芯片制造、集成电路设计、晶圆制造、器件集成制造、封装与测试、材料与设备制造等众多企业，同时也影响大学和研究机构。（2）3D集成技术吸引了来自全球的研发人员和工程师参加相关的会议、讲座、讨论会和论坛，分享他们的成果、交流信息、学习的技术和寻求解决方案，并规划他们的未来。（3）3D集成技术推动半导体产业建立新的标准、新的产业体系和基础设施。这样的事情是前所未有的。
这是一个完美风暴。业界认为摩尔定律正在谢幕，3D集成即将登场。为了在将来的竞争中处于优势，众多企业和机构在3D IC集成技术研发方面纷纷投入大量人力和物力。3D IC集成定义为：薄晶圆或转接板通过硅通孔（TSV）和微凸点实现堆叠互连。因此，TSV制作、薄晶圆或芯片的拿持、微凸点制作、键合技术以及热管理成为3D IC集成的关键技术。
然而，大多数工程师、技术管理人员、研发人员以及科学家对于TSV制作、薄晶圆的强度测量和拿持、微凸点制作、芯片与芯片（C2C）键合、芯片与晶圆（C2W）键合、晶圆与晶圆（W2W）键合以及3D集成相关的可靠性等问题并没有太深入的了解。因此，工业界和研究机构迫切需要一本能全面介绍这些关键技术领域现状的书籍。本书不仅可以使读者尽快了解3D集成相关技术的发展和趋势，而且可以帮助企业界技术领导人做出关于3D集成技术的正确决策。
为达到上述目标，来自电子与光电子研究实验室的John H Lau（刘汉诚）博士搜集了大量的技术文献，并撰写了《三维电子封装的硅通孔技术》一书。对于半导体工业界、研究机构以及大学来说，这是一本优秀专著。除此以外，对于刚刚进入该领域的人来说，本书提供了3D IC集成、3D Si集成以及3D IC封装的入门知识；对于已涉足3D集成互连设计与工艺的人员来说，本书可作为了解技术发展的参考书。
本书共11章，涵盖了3D集成技术从基础到发展的全部内容。第1章简要讨论半导体工业中的纳米技术和3D集成技术。第2章讲述TSV制程的6个关键工艺步骤：孔制作、介电层沉积、阻挡层和种子层沉积、孔填充、化学机械抛光和铜外露。第3章讨论TSV的力学行为、热行为和电学行为。第4章和第5章分别讨论薄晶圆的强度测量和封装组装中的拿持问题。第6章讨论微凸点制作、组装以及组装中微凸点的可靠性问题。第7章讨论微凸点的电迁移问题。第8章讨论C2C、C2W和W2W的瞬态液相键合技术。第9章讨论3D IC SiP集成技术中的热管理问题。后，第10章讨论与3D IC集成和3D Si集成相比成本较低并已接近量产的竞争性技术，如3D封装技术。
本书提供了3D Si集成、3D IC集成、3D IC封装以及它们在高密度、高性能、低功耗、宽带宽、轻薄以及绿色产品中应用的信息。本书对于希望掌握TSV技术、薄晶圆强度测量与拿持技术、微凸点技术、封装与组装技术、热管理技术、成本效益设计技术以及高良率制造工艺技术的专业人员来说，是不可或缺的。本书涵盖了3D集成这一快速发展技术领域的所有方面。
3D集成技术能不能像摩尔定律那样成为未来世界所能依赖的基础呢？本书也许不能回答这个问题，但可以帮助电子与光电子设计与制造人员更好地理解我们当前需要做什么、如何回答这个问题、如何规划未来以及如何促成其变为现实。

Ian YiJen Chan(詹益仁)博士
电子与光电子研究实验室主任
工业技术研究院副主席
中国台湾”