3D IC技術蓬勃發展的背后推動力來自消費市場采用越來越復雜的互連技術連接硅片和晶圓。這些晶圓包含線寬越來越窄的芯片。

為了按比例縮小半導體IC，需要在300mm的晶圓上生成更精細的線條。據市場研究機構VLSI Research（圖1）預測，雖然目前大多數量產的IC是基于55nm或55nm以下的設計節點，但這些設計規則將縮小至38nm或更小，到2013年甚至會縮小到27nm。

這些尺寸縮小了的IC設計促進了人們對高密度、高成本效益的制造與封裝技術的需求，進而不斷挑戰IC制造商盡可能地減少越來越高的固定設備投資成本。

許多3D應用仍使用傳統的球柵陣列（BGA）、方形扁平無引線（QFN）、引線柵格陣列（LGA）和小外形晶體管（SOT）封裝。不過，更多應用正在轉向兩種主要技術：扇出晶圓級芯片尺寸封裝（WLCSP）和嵌入式裸片封裝。

目前，扇出WLCSP主要用于采用BGA的多引腳數（超過120個引腳）應用。嵌入式裸片封裝技術適合用于引腳數較少的應用，這些應用將芯片和分立元件嵌入PCB基板，并采用微機電系統（MEMS）IC（圖2）。

圖2：IC、MEMS器件和其它元件將采用了WLCSP和硅通孔（TSV）技術的無源器件組合在一起。

德州儀器（TI）的研究人員認為，WLCSP正在向標準化的封裝結構發展。WLCSP可以包含WLCSP IC、MEMS IC和無源器件的組合，并且這些器件通過硅通孔（TSV）技術互連。TSV的底層可以是一個有源WLCSP器件、僅一個中介層或一個集成式無源中介層。頂層可以是一個IC、一個MEMS器件或一個分立器件（圖3）。

但不管是哪種封裝類型，隨著引腳數量和信號頻率的增加，預先規劃封裝選項的需求變得越來越重要。例如，帶有許多連接的引線鍵合封裝可能由于高感應系數而要求在芯片上提供更多的電源緩沖器。焊接凸點類型、焊盤以及焊球的放置也會極大地影響信號完整性。

TSV：言過其實還是事實？

TSV技術本質上并不是一種封裝技術方案，而只是一種重要的工具，它允許半導體裸片和晶圓以較高的密度互連在一起。基于這個原因，TSV在大型IC封裝領域中是一個重要的步驟。但TSV不是推動3D封裝技術進步的唯一方法。它們僅代表眾多材料、工藝和封裝開發的一個部分。

事實上，采用TSV互連的3D芯片還沒有為大批量生產作好準備。盡管取得了一些進步，但它們仍主要限用于CMOS圖像傳感器、一些MEMS器件以及功率放大器。超過90%的IC芯片使用經過驗證的引線鍵合方法進行封裝。

TI公司策略封裝研究和外協部門經理Mario A.Bolanos在今年的ConFab會議上指出，在3D芯片中使用TSV面臨許多挑戰。這些挑戰包括：缺少電子設計自動化（EDA）工具，需要極具成本效益的制造設備和工藝，與熱問題、電遷移和熱機械可靠性相關的良率和可靠性數據不達標，以及復合良率損失及已知合格芯片（KDG）數據等。

與在750μm厚的硅晶圓上制造的傳統IC不同，3D IC要求晶圓非常薄，厚度通常約100μm甚至更薄。鑒于這種超薄晶圓的脆弱性，迫切需要極其專業的臨時鍵合和解鍵合設備，以確保晶圓結構的完整性，特別是在蝕刻和鍍金工藝期間的高處理溫度和應力下。在鍵合完成后，晶圓要執行一個TSV背面工藝，然后進行解鍵合步驟。這些典型步驟可產生更高的良率水平，從而支持更具成本效益的批量生產。

目前，在鍵合和工藝溫度及相關可靠性方面還缺少TSV標準。晶圓位置的TSV分配標準化也是如此。如果有足夠多的IC制造商來研究這些問題，那么在擴展TSV的互連作用方面還可以取得更大的進展。超過200℃至300℃的高工藝溫度對于TSV的經濟實現來說是不可行的。

提供3D集成技術的知識產權（IP）的Ziptronix公司將直接邦定互連（DBI）技術授權給了Raytheon Vision Systems公司。據Ziptronix公司介紹，低溫氧化物邦定DBI技術是3D IC（圖4）的一種高成本效益解決方案。

但是，許多半導體IC專家認為半導體行業正處于選擇2D（平面）和3D設計的十字路口?？紤]到制造、設計、工藝和掩膜成本，他們發現在從45nm設計節點轉向32nm和28nm設計時，成本會增加三倍至四倍。在蝕刻和化學蒸氣拋光以及處理應力效應問題等方面還需很多改進，這使得3D封裝挑戰愈加嚴峻。而這正是TSV技術的合適切入點。

法國的Alchimer S.A.是一家提供用于半導體IC互連的納米沉積薄膜的廠商，該公司已經驗證，與高寬比為5:1（見表）的TSV相比，高寬比為20:1的TSV可以為IC芯片制造商每300mm晶圓節省超過700美元。這是通過減少互連所需的裸片面積實現的。

Alchimer公司利用現有面向移動應用的3D堆棧對TSV的成本和空間消耗建模。這個堆棧包括一個低功耗微處理器、一個NAND存儲器芯片和一個65nm工藝節點上制造的DRAM芯片。芯片通過約1000個TSV互連，并對高寬比5:1、10:1和20:1下的處理器裸片進行了計算。

IBM、瑞士的école Polytechnique Fédérale de Lausanne（EPFL）和瑞士聯邦理工學院（ETH）正在借助微流體MEMS技術（圖5）聯合開發面向3D IC（使用TSV）的微冷卻技術。這項被稱為CMOSAIC的合作正在探討一種多核3D堆棧架構，其互連密度范圍為100到10000個連接/mm2。

圖5：未來的3D堆棧可能包含處理器、存儲器、邏輯和模擬及RF電路，所有這些都通過TVS互連。流體通過MEMS微通道實現冷卻。

IBM/瑞士團隊計劃用單相流體和兩相冷卻系統設計微通道。納米表面將在幾個毫米的芯片中用管道輸送包括水和環保的制冷劑在內的冷卻液，從而達到吸引熱量和散熱的目的。一旦流體以蒸氣形式離開電路，冷凝器會使蒸氣回復液體狀態，然后再泵回芯片用于冷卻。

引線鍵合和倒裝芯片

引線鍵合和倒裝芯片（flip-chip）互連技術當然不會坐以待斃。許多倒裝芯片晶圓凸點技術取得了很大的進步，包括使用共熔倒裝芯片泵、銅柱和無鉛焊接。最新的封裝發展包括使用封裝上封裝（PoP）方法、系統級封裝（SiP）、無引線（QFN）封裝以及它們的衍生技術。

3D結構已經享譽封裝領域多年。在帶有引線鍵合的堆疊式裸片結構中使用BGA封裝已經近十年了。例如在2003年，意法半導體展示了一款采用BGA的10片堆疊結構，這在當時是創了記錄的。

對于高密度和功能強的手持產品來說，像PoP概念這樣的3D方法一定會引起人們的特別關注。設計工程師必須仔細考慮兩個問題：熱循環和跌落測試可靠性。兩者都是封裝材料質量和可靠性的函數。當PoP結構的底層互連間距從0.5mm變為0.4mm、頂層互連間距從0.4mm變為0.5mm時，這將變得更加重要。

三星電子（Samsung Electronics）發布了一款0.6mm高、多裸片、8芯片的封裝，主要用于高密度存儲器應用。據該公司透露，這種封裝最初是為32GB存儲器設計的，厚度只有傳統8芯片存儲器棧的一半，能為高密度多媒體手機和其它移動設備提供厚度和重量均縮減40%的存儲器解決方案。

這種封裝的重要創新之處是使用了30nm NAND閃存芯片，每顆芯片的厚度只有15 μm。三星公司設計了一種超薄技術來克服傳統技術的局限性，即厚度在30μm以下時IC芯片抵抗外部壓力的限制。此外，這種新的封裝技術可以被應用于其它多芯片封裝（MCP），如SiP和PoP。

“這一封裝技術的發展為在目前的移動產品設計中整合更高密度和更多功能提供了最佳解決方案，從而使設計工程師能更自由地創造富有吸引力的設計，以滿足當今用戶對不同風格以及超薄喜好的需求?！比枪痉庋b開發部門副總裁Tae Gyeong Chung表示。

市場發展也在影響QFN封裝領域。德國的Fraunhofer IZM公司開發出了一種聚合物內埋置芯片（chip-in-polymer）工藝，將沖擊和震動保護嵌進芯片中，并使其互連距離縮短，從而增強芯片性能。這種工藝先使芯片變薄，然后將其粘附到很薄的基板上。

再用帶樹脂涂覆的銅全部覆蓋表面（樹脂層厚約80μm，銅表面厚5μm）。樹脂被固化，互連過孔通過激光鉆孔至連接焊盤，并用金屬電鍍。然后頂層上的再分配層被蝕刻掉銅。

這種工藝已經在QFN等標準封裝的商業化生產中得到優化，而無需專門的設備或其它延遲。采用聚合體嵌入式QFN（其本質上是引線被芯片底面的焊盤取代的無引線方形封裝）是HERMES項目的一部分。

HERMES由Fraunhofer公司和另外10家歐洲工業和學術機構組成，其目標是推進芯片和有源與無源器件的嵌入，以實現更多功能的集成和更高的密度。該技術基于PCB制造和裝配實踐的采用以及標準化的硅裸片，強調精細間距互連、大功率性能和高頻兼容性。

選擇QFN封裝是因為它在包含微控制器IC的小型超薄設備中比較常見。Fraunhofer的研究人員相信，QFN將接管由其它類型封裝控制的許多利基應用領域。嵌入式QFN包含一個厚度僅50μm左右的5x5mm大小芯片。封裝本身的尺寸是100x100mm。芯片上的84個I/O引腳之間的間距是100μm（封裝上為400μm）。

馬來西亞的Unisem Berhad公司也發布了一種高密度引線框（leadframe）技術：引線框柵格陣列（LFGA），它能提供與BGA相當的密度。該公司表示，該技術為兩層FPGA封裝提供了高成本效益的替代方案。與QFN封裝相比，它有更短的引線鍵合長度。此外，它能在5.5mm2的面積中容納10x10mm、72引線的QFN封裝。

“這種封裝能提供更好的外形尺寸，同時具有更高的I/O密度和更好的熱性能與電氣性能。而且它更薄，最重要的是，能在前端裝配中提供高得多的良率。”封裝開發人員T.L.Li表示。

正在研究將芯片嵌入進各種介質的其它公司還包括Dai Nippon Printing。該公司成功地將引線鍵合至印刷線路板（PWB）的高性能IC芯片嵌入多層PWB中，其成功之處在于獨特的埋入式凸出互連技術。PWB可在任意層間互連（通過孔連接），焊凸點則由通過絲網印刷術形成的高導電性錫膏生成。

對引線框的基礎金屬進行半蝕刻并使其內部引線變長將大幅縮短芯片與其連接的引線框之間的距離，同時顯著減少用于連接的金線數量，最終降低制造成本（圖6）。PWB內包含超過700個引腳的IC將在今年開始批量生產。有源和無源器件可以同時量產。

開發環氧助焊劑材料的工作還在進行，這種材料能改善傳統錫銀銅（SnAgCu）的熱循環和跌落試驗可靠性缺陷。開發這種材料將有助于提升采用PoP的3D IC技術。雖然PoP制造采用常用的錫鉛（SnPb）焊接合金（比SnAgCu材料更具優勢），但仍需要一種無鉛化合物來處理面向消費電子產品的大型高密度3D PoP結構。

Henkel公司最新開發的多核LF620是一種無鉛助焊劑，可用于大范圍的封裝應用。這種免清洗的無鹵化物、無鉛材料采用新的化學活性劑構成。因此，它通過焊盤內連接盡可能降低了CSP的空洞率，具有良好的接合性能，并在大量表面處理工藝下實現了卓越的可焊接性。