內容簡介
《信息科學技術學術著作叢書:集成電路三維係統集成與封裝工藝(中文導讀)》係統討論用於電子、光電子和MEMS器件的2.5D、3D,以及3D IC集成和封裝技術的新進展和未來可能的演變趨勢,同時詳盡討論IC三維集成和封裝關鍵技術中存在的主要工藝問題和可能的解決方案。通過介紹半導體工業中的集成電路發展,以及摩爾定律的起源和演變曆史,闡述三維集成和封裝的優勢和挑戰,結閤當前三維集成關鍵技術的發展重點討論TSV製程與模型、晶圓減薄與薄晶圓在封裝組裝過程中的拿持晶圓鍵閤技術、三維堆疊的微凸點製作與組裝技術、3D矽集成、2.5D/3D IC和無源轉接闆的3D IC集成、三維器件集成的熱管理技術、封裝基闆技術,以及存儲器、LED、MEMS、CIS 3D IC集成等關鍵技術問題,最後討論PoP、Fan-in WLP、eWLP、ePLP等技術。
《信息科學技術學術著作叢書:集成電路三維係統集成與封裝工藝(中文導讀)》適閤從事電子、光電子、MEMS等器件三維集成研究的工程師、技術研發人員、技術管理人員和科研人員閱讀,也可以作為相關專業高年級本科生和研究生的教材。
作者簡介
John H.Lau(劉漢誠)博士,在半導體領域從業超過30年,他曾先後作為資深科學傢在美國的惠普公司、安捷倫公司工作超過25年;作為微係統、模組與元器件(MMC)實驗室主任在新加坡微電子研究所(IME)工作2年;作為訪問教授在香港科技大學工作1年;2010年1月當選颱灣工業技術研究院院士,並在颱灣工業技術研究院工作數年;2014年7月作為高級顧問就職於ASM太平洋公司。
劉博士是電子器件、光電子器件、LED和微機電係統(MEMS)等領域的著名專傢,多年從事器件、基闆、封裝和PCB闆等的設計、分析、材料錶徵、工藝製造、品質與可靠性測試,以及熱管理等方麵工作,尤其專注於釺焊機理、製造、錶麵貼裝技術(SMT)、扇人和扇齣晶圓級倒裝芯片封裝技術、矽通孔(TSV)技術、三維集成電路(IC)集成技術,以及係統級封裝(SiP)技術。
在超過37年的研究、研發與製造業經曆中,劉博士獨自或與他人閤作共同發錶瞭400多篇技術論文,申請和授權專利30多項,並在世界範圍內做瞭290多場學術報告。獨自或與他人閤作編寫和齣版瞭18部關於TSV、三維MEMS封裝、二維/三維IC集成可靠性、晶圓級倒裝芯片封裝(FC-WLP)、BGA封裝、高密度PCB、SMT、芯片直接貼裝、無鉛焊料、釺焊與焊料可靠性等方麵的教材。
劉博士在伊利諾伊大學(香檳校區)獲得理論與應用力學博士學位,在威斯康星大學麥迪遜分校獲得第二個碩士學位(工程物理),在費爾萊迪金森大學獲得第三個碩士學位(管理科學),在颱灣大學獲得土木工程專業學士學位。
內頁插圖
目錄
前言
緻謝
導讀
第1章 半導體集成電路封裝3D集成
1.1 引言
1.23D集成
1.33D IC封裝
1.43D Si集成
1.53D IC集成
1.5.1 混閤存儲器立方(HMC)
1.5.2 Wide I/O動態隨機存儲器和Wide I/O2
1.5.3 高帶寬存儲器(HBM)
1.5.4 Wide I/O存儲器(Logic—on—Logic)
1.5.5 無源轉接闆(2.5D IC集成)
1.6 TSV技術時代供應鏈
1.6.1 前道工藝(Front—End—of—Line)
1.6.2 後道工藝(Back—End—of—Line)
1.6.3 封裝與測試(Outsourced Semiconductor Assembly and Test)
1.7 TSV技術時代供應鏈——誰製造TSV?
1.7.1 Via—First TSV工藝
1.7.2 Via—Middle TSV工藝
1.7.3 Via—Last TSV工藝(from the front Side)
1.7.4 Via—Last TSV工藝(from the Back Side)
1.7.5 無源TSV轉接闆?
1.7.6 誰想用無源轉接闆TSV技術?
1.7.7 總結和建議
1.8 TSV技術時代供應鏈一誰負責中道工藝MEOL,裝配和測試?
1.8.1 Wide I/O存儲器(麵對背)的Via—Middle TSV製造工藝
1.8.2 Wide I/O存儲器(麵對麵)的Via—Middle TSV製造工藝
1.8.3 Wide I/O DRAM的Via—Middle TSV製造工藝
1.8.4 基於帶有TSV/RDL轉接闆的2.5D IC集成
1.8.5 總結與建議
1.9 CMOS圖像傳感器與TSVs
1.9.1 東芝Dynastron圖像傳感器
1.9.2 意法半導體的VGA CIS攝像頭模塊
1.9.3 三星S5K4E5YX BSI CIS圖像傳感器
1.9.4 東芝HEW4 BSI TCM5103PL圖像傳感器
1.9.5 Nemotek CIS圖像傳感器
1.9.6 索尼ISX014堆疊相機傳感器
1.10 使用TSV技術的微機電係統
1.10.1 意法半導體的MEMS慣性傳感器
1.10.2 Discera的MEME振蕩器
1.10.3 Avago的FBAR MEMS濾波器
1.11 參考文獻
第2章 矽通孔的建模和測試
2.1 引言
2.2 TSV的電氣模型
2.2.1 通用TSV結構的解析模型和方程
2.2.2 TSV模型的頻域驗證
2.2.3 TSV模型的時域驗證
2.2.4 TSV的電氣設計指南
2.2.5 總結與建議
2.3 TSV的熱模擬
2.3.1 銅填充TSV等效熱電導率法
2.3.2 單個TSV的熱特性
2.3.3 銅填充TSV的等效熱導率方程
2.3.4 等效TSV熱電導率方程驗證
2.3.5 總結與建議
2.4 TSV機械建模和測試技術
2.4.1 銅填充TSV和周圍矽的透射電鏡
2.4.2 TSV製造的Pumping實驗結果
2.4.3 熱衝擊下銅Pumping
2.4.4 銅填充TSV的Keep—Out—Zone區
2.4.5 總結與建議
2.5 參考文獻
第3章 應力傳感器用於薄晶圓拿持和應力測量
第4章 封裝基闆技術
第5章 微凸點製造、裝配和可靠性
第6章 三維矽集成
第7章 2.5D/3D IC集成
第8章 基於轉接闆的3D IC集成
第9章 2.5D/3D IC集成的熱管理
第10章 嵌入式三維混閤集成
第11章 LED和集成電路三維集成
第12章 MEMS與集成電路的三維集成
第13章 CMOS圖像傳感器和IC三維集成
第14章 3D IC封裝
索引
前言/序言
3D IC集成正在半導體行業引起風暴,已經在如下方麵産生巨大影響:(1)影響芯片供應商(fabless),代工廠,整閤元件製造商,外包半導體組裝,測試、基闆、電子器件製造服務,原始設計製造商,原始設備製造商,材料和設備提供商,大學,以及研究單位;(2)吸引世界各地的研究人員和工程師參加會議、講座、workshop、小組討論以及論壇,去展示他們的發現,交換信息,尋求解決方案,學習最新的技術並規劃未來;(3)推動行業為3D IC集成建立標準、基礎設施和生態係統。
這是個完美的風暴!很多人和公司認為摩爾定律將很快謝幕,而3D IC集成將成為下一個熱點。為準備未來並擁有競爭力,他們在3D IC集成方麵投入瞭很大的人力和物力。3D IC集成被定義為采用矽通孔和微凸點在三維方嚮實現芯片/轉接闆堆疊,可以實現高性能和高密度,具有低功耗、大帶寬、小外形,以及輕型化的封裝。因此,矽通孔、超薄晶圓/芯片拿持、微凸點、組裝和熱管理都是實現3D IC集成最重要的技術。
遺憾的是,對於大多數實際操作的工程師和管理者,以及科學傢和研究人員,矽通孔、超薄晶圓的強度測量和拿持、微凸點、再布綫層、轉接闆、芯片一晶圓鍵閤、晶圓-晶圓鍵閤、組裝、熱管理、可靠性、LED二極管的3D IC集成、微機電係統,以及CMOS圖像傳感器(CIS)並不好理解。因此,在行業和研究單位內急需有一本全麵的書籍來介紹這些重要技術的現況。本書可以幫助讀者在進行係統級決策的時候快速瞭解解決問題的基本方法和利弊。
《集成電路三維係統集成與封裝工藝(中文導讀)》一書,作為“信息科學技術學術著作叢書”中的重要一員,其核心內容聚焦於當前半導體産業最為前沿和極具挑戰性的領域之一——集成電路的三維係統集成與先進封裝工藝。本書並非簡單羅列技術名詞,而是深入剖析瞭這一復雜技術體係的演進脈絡、關鍵技術要素、麵臨的挑戰以及未來的發展趨勢,旨在為讀者構建一個全麵而深刻的認識框架。 一、 時代的召喚:為何需要三維係統集成與先進封裝? 在信息技術飛速發展的今天,傳統二維集成電路的發展正麵臨物理極限的瓶頸。摩爾定律雖仍在延續,但其增速放緩,單個芯片的集成密度提升愈發睏難,同時功耗和散熱問題也日益突齣。另一方麵,電子設備的性能需求卻在不斷攀升,從智能手機、高性能計算到人工智能、物聯網,都對集成電路提齣瞭更高的要求。 麵對此挑戰,將多個功能單元(如CPU、GPU、存儲器、射頻模塊等)在垂直方嚮上進行堆疊和互聯,形成一個緊湊的三維係統,成為突破性能瓶頸、實現更高集成度和更優異電氣性能的有效途徑。這種“係統級”的創新,將原本需要通過PCB闆進行連接的多個芯片,集成到一個封裝體內,大大縮短瞭信號傳輸路徑,降低瞭功耗,提高瞭通信帶寬,並顯著減小瞭器件的尺寸。 因此,本書的齣現,正是順應瞭這一産業發展的大勢所趨,為業內人士、科研人員和學生提供瞭一份詳實的研究資料和技術指南。它不僅解釋瞭“為什麼”要進行三維係統集成,更詳盡地闡述瞭“如何”實現這一目標。 二、 核心技術解析:從微觀到宏觀的深度探索 本書的主體內容,緊密圍繞“集成電路三維係統集成”與“先進封裝工藝”展開,其深度和廣度體現在以下幾個方麵: 1. 三維係統集成的基本概念與架構: 什麼是三維係統集成? 作者首先從概念層麵,清晰界定瞭三維係統集成(3D System-in-Package, 3D SiP)與傳統二維集成電路(2D IC)和三維集成電路(3D IC)的區彆與聯係。它強調的是將多個裸芯片(die)或多個功能模塊,通過垂直堆疊和橫嚮互聯的方式,在一個封裝體內實現高度集成,從而構建一個功能完備的係統。 主要的3D SiP架構: 書中詳細介紹瞭當前主流的3D SiP架構,包括: 堆疊式(Stacking): 將多個芯片垂直堆疊,通過矽通孔(TSV)或微凸點(micro-bump)進行連接。這是實現高密度和短路徑互連的關鍵。 側邊式(Side-by-Side): 將不同功能的芯片並排放置,通過先進的互連技術連接。這種方式靈活性較高,適用於不同尺寸和工藝的芯片。 混閤式(Hybrid): 結閤瞭堆疊式和側邊式,以最優化的方式整閤不同功能模塊。 關鍵使能技術: 深入探討瞭支撐3D SiP實現的一係列核心技術,如: 矽通孔(Through-Silicon Via, TSV): 這是實現垂直互連的“高速公路”,本書詳細闡述瞭TSV的形成工藝、結構設計、導通電阻、電容、寄生效應等關鍵問題,以及不同類型的TSV(如埋入式、穿透式)的優劣。 微凸點(Micro-Bump)與再布綫層(RDL): 作為芯片間互連的“橋梁”,微凸點的尺寸、形貌、可靠性以及RDL的材料、層數、布綫密度等,直接影響到互連性能和信號完整性。 矽中介層(Interposer): 對於不具備TSV能力的芯片,矽中介層作為一種“平颱”,提供瞭高密度的互連網絡,能夠有效地將不同芯片連接起來。書中分析瞭單片矽中介層(Si interposer)和多片矽中介層(multi-chip module-based interposer)的結構特點和應用場景。 先進封裝基闆: 傳統PCB基闆的互連密度已無法滿足3D SiP的要求,本書介紹瞭如扇齣晶圓級封裝(Fan-Out Wafer-Level Package, FOWLP)、扇齣封裝(Fan-Out Package, FOP)、2.5D封裝等先進基闆技術,以及它們的特點和優勢。 2. 先進封裝工藝的詳細闡述: 本書在封裝工藝方麵,著重介紹瞭實現3D SiP所需的一係列先進技術,這些技術是實現三維係統集成的“血肉之軀”。 晶圓級封裝(Wafer-Level Package, WLP): 從晶圓狀態就開始封裝,減少瞭單顆芯片的封裝成本和製程步驟,提高瞭良率。重點介紹瞭晶圓級扇齣封裝(FOWLP)的工藝流程,包括圖形轉移、晶圓重建、凸點形成、再布綫層構建等。 2.5D封裝: 強調瞭矽中介層在2.5D封裝中的核心作用,以及如何將多個芯片(如GPU、HBM)集成到矽中介層上,再與基闆連接。 3D封裝: 深度解析瞭直接堆疊芯片的3D封裝技術,包括: 芯片堆疊(Die-to-Die Bonding): 介紹瞭兩種主要的堆疊方式:麵麵堆疊(face-to-face)和麵背堆疊(face-to-back)。 混閤鍵閤(Hybrid Bonding): 一種更為先進的連接技術,可以直接將裸露的金屬銅進行鍵閤,實現更高的密度和更低的互連電阻,對於存儲器堆疊尤其重要。 倒裝芯片(Flip-Chip): 作為連接芯片與基闆或中介層的關鍵技術,書中詳細闡述瞭倒裝焊球(solder bump)、倒裝焊綫(copper pillar bump)的工藝及其可靠性。 封裝材料與工藝: 介紹瞭用於3D SiP的各種關鍵材料,如封裝樹脂、導電膠、鍵閤綫、锡膏等,以及與這些材料相匹配的先進工藝,如激光切割、錶麵處理、再流焊、固化等。 係統集成與測試: 3D SiP的集成不僅僅是芯片的物理堆疊,更涉及到如何將不同的功能模塊有機地結閤在一起,形成一個功能完備的係統。本書也探討瞭係統級彆的設計、驗證與測試挑戰。 三、 設計挑戰與解決方案: 隨著集成度的提高,3D SiP的設計變得空前復雜。本書深入探討瞭這些挑戰,並提齣瞭相應的解決方案: 散熱設計: 芯片堆疊在高密度下會産生巨大的熱量,本書詳細分析瞭熱阻的産生機製,並介紹瞭先進的散熱技術,如均溫闆(Vapor Chamber)、熱管(Heat Pipe)、微通道散熱器(Microchannel Heat Sink)以及先進的封裝材料對散熱性能的優化作用。 信號完整性與電源完整性: 更短的互連路徑雖然降低瞭信號延遲,但也可能引入新的信號完整性問題(如串擾、反射),同時高密度的芯片堆疊也對電源分配網絡(PDN)提齣瞭挑戰。書中探討瞭電磁場仿真、阻抗匹配、去耦電容優化等策略。 可靠性與可靠性評估: 3D SiP的可靠性是産業界關注的焦點。本書分析瞭材料選擇、工藝控製、結構設計對可靠性的影響,如應力、形變、溫濕度影響、機械衝擊和振動等,並介紹瞭相關的測試方法和標準。 設計自動化工具(EDA): 麵對復雜的3D設計,EDA工具的重要性不言而喻。本書簡要介紹瞭支持3D SiP設計的EDA工具鏈,包括物理設計、版圖規劃、熱仿真、電磁仿真等。 四、 未來展望與發展趨勢: 本書的結尾部分,著眼於未來,對3D SiP技術的發展趨勢進行瞭前瞻性分析: 更高級的異構集成(Heterogeneous Integration): 將不同工藝、不同製程節點的芯片,甚至是不同的材料(如光電器件、 MEMS)集成到同一個封裝體內,以實現前所未有的功能。 Chiplet技術: 將復雜的SoC分解成獨立的、可重用的“小芯片”(Chiplet),然後通過先進封裝技術將它們組閤起來,以提高設計效率、良率和成本效益。 先進封裝的材料創新: 對新型封裝材料的探索,如高性能聚閤物、陶瓷復閤材料、納米材料等,將為提升封裝性能和可靠性提供新的可能。 人工智能(AI)在設計與製造中的應用: 利用AI算法優化設計參數,提高製造工藝的智能化水平,實現更高效、更可靠的3D SiP生産。 對綠色封裝和可持續發展的思考: 隨著環保意識的提高,本書也可能觸及到如何開發更環保的封裝材料和工藝,減少對環境的影響。 五、 導讀的意義: 本書的“中文導讀”定位,意味著它不僅是一本技術專著,更是一份麵嚮中文讀者的、經過精心組織的、易於理解和吸收的學習資料。它通過清晰的邏輯結構、詳實的案例分析、以及對關鍵概念的深入淺齣地解釋,幫助讀者快速掌握3D SiP領域的核心知識。對於初學者而言,本書提供瞭一個完整的學習路徑;對於有一定基礎的研究人員和工程師而言,本書則是一份寶貴的參考和拓展視野的工具。 總而言之,《集成電路三維係統集成與封裝工藝(中文導讀)》是一本集理論深度、技術廣度和實踐價值於一體的學術著作。它係統地梳理瞭當前半導體産業麵臨的挑戰,詳細闡述瞭解決這些挑戰的關鍵技術,並對未來的發展方嚮進行瞭 insightful 的展望。本書的齣版,無疑將為我國在集成電路這一戰略性新興産業領域的發展提供強有力的智力支持。