文章來(lái)源：半導(dǎo)體全解

原文作者：圓圓De圓

本文主要講述什么是2.5D及3D封裝轉(zhuǎn)接板。

一、為什么需要2.5D及3D封裝

摩爾定律精準(zhǔn)預(yù)言了近幾十年集成電路的發(fā)展。然而，逐漸逼近的物理極限、更高的性能需求和不再經(jīng)濟(jì)的工藝制程，已引發(fā)整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)重新考慮集成工藝方法和系統(tǒng)縮放策略，意味著集成電路產(chǎn)業(yè)已經(jīng)步入后摩爾時(shí)代。

超越摩爾通過(guò)三維堆疊來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)芯片在平面和垂直方向的互連，用系統(tǒng)集成的策略來(lái)大幅度提升空間利用率。垂直互連技術(shù)從縱向維度進(jìn)一步擴(kuò)展，促進(jìn)了系統(tǒng)級(jí)集成的不斷進(jìn)步。轉(zhuǎn)接板形式的通孔技術(shù)是最有前景的互連方案之一，已成為全球先進(jìn)封裝的研究熱點(diǎn)。

二、2.5D及3D封裝的結(jié)構(gòu)組成

2.5D/3D先進(jìn)封裝技術(shù)是芯片系統(tǒng)關(guān)于延續(xù)摩爾定律的有效解決方案之一，該技術(shù)主要目的是通過(guò)在垂直方向上堆疊芯片以實(shí)現(xiàn)更高密度的集成。

其中，3D封裝技術(shù)與2.5D封裝技術(shù)的差別主要在于3D封裝技術(shù)是通過(guò)硅通孔（ThroughSiliconVia, TSV）或玻璃通孔（ThroughGlassVia, TGV）把所有芯片都垂直連接，而2.5D封裝技術(shù)指的是將多個(gè)芯片平鋪在中介層上，中介層上有再布線層，用于芯片間的水平互連，而中介層再通過(guò)通孔把芯片與封裝基板相連，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多個(gè)芯片的垂直互連，這種將多種不同材質(zhì)、尺寸、功能封裝到一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的技術(shù)也被稱作三維異質(zhì)集成技術(shù)，其中實(shí)現(xiàn)中介層互連功能的關(guān)鍵工藝則是相應(yīng)的通孔制備及孔金屬化。

三、轉(zhuǎn)接板(中介層)的典型結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)接板（中介層）主要包括基底和RDL。其上層RDL通過(guò)微凸塊與搭載的有源芯片相連，這些有源芯片可以是普通的二維芯片，也可以是三維的芯片堆疊。其下層RDL（或者是焊盤(pán)）通過(guò)普通的凸塊或者焊球與封裝基底相連，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)接板與封裝管殼的電氣連接。轉(zhuǎn)接板的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。

轉(zhuǎn)接板基板可以是硅、玻璃或者有機(jī)高分子材料，上面有貫穿基板的通孔，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)接板正面和背面的電氣連接。轉(zhuǎn)接板上的TSV采用導(dǎo)電材料填充，外側(cè)包覆有絕緣層，對(duì)TSV和基底進(jìn)行隔離。

TSV填充的導(dǎo)電材料通常是銅，也可以是鎢、多晶硅等。填充的方式有完全填充和不完全填充兩種。

轉(zhuǎn)接板的RDL包括金屬布線和絕緣介質(zhì)層，用來(lái)實(shí)現(xiàn)搭載的芯片與芯片之間、芯片與TSV之間的互連。金屬布線通常是通過(guò)電鍍銅來(lái)制備，而介質(zhì)層可以是無(wú)機(jī)介質(zhì)如SiO2、Si3N4等，也可以是有機(jī)聚合物如聚酰亞胺（PI，Polyimide）、苯并環(huán)丁烯（Benzocyclobutene，BCB）等。

在RDL層中，除了互連線以外，也可集成一些無(wú)源器件，包括電容、電感、電阻等。這些集成無(wú)源器件（IPD，Integrated Passive Device）可組成多種功能電路，起到如去耦合、濾波、抑制開(kāi)關(guān)噪聲等作用。

將IPD集成到轉(zhuǎn)接板中，不僅可以減小總體電路的體積，提升系統(tǒng)的集成度，也可以使轉(zhuǎn)接板的功能更豐富，適用面更廣。

目前絕大多數(shù)轉(zhuǎn)接板是無(wú)源的，即上面集成的只有布線和無(wú)源器件，也有少數(shù)研究機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)接板上制備了CMOS晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單功能，這種轉(zhuǎn)接板被稱為有源轉(zhuǎn)接板（active interposer）。

比如法國(guó)的半導(dǎo)體研究機(jī)構(gòu)Leti在16年提出了一種2.5D封裝的片上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（NoC，Network on Chip），在有源硅轉(zhuǎn)接板上排布了6個(gè)通信芯片形成通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如圖所示。轉(zhuǎn)接板本身也制備了CMOS結(jié)構(gòu)，集成了一些簡(jiǎn)單的功能，包括功率變換和測(cè)試電路等。

有源轉(zhuǎn)接板的好處在于，可以將承載芯片的一些簡(jiǎn)單功能轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)接板上，或者在轉(zhuǎn)接板上配合相對(duì)應(yīng)的承載芯片增加一些新的功能，這樣，不僅可以充分利用轉(zhuǎn)接板上的空間，提高集成度，還能增加系統(tǒng)功能或者提升系統(tǒng)性能。有源轉(zhuǎn)接板的局限在于，在轉(zhuǎn)接板上制備CMOS結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于制備有源TSV芯片，工藝流程比無(wú)源轉(zhuǎn)接板復(fù)雜的多，成本也高；其集成結(jié)構(gòu)類似3D TSV封裝，也會(huì)面臨著3D TSV封裝類似的問(wèn)題。

四、轉(zhuǎn)接板的分類

按照轉(zhuǎn)接板基底材料的不同，轉(zhuǎn)接板可分為硅轉(zhuǎn)接板（silicon interposer）、玻璃轉(zhuǎn)接板（glass interposer）和有機(jī)轉(zhuǎn)接板（organic interposer）。

1、硅轉(zhuǎn)接板

硅轉(zhuǎn)接板是當(dāng)前最主流、最成熟的轉(zhuǎn)接板技術(shù)，研究的最多，應(yīng)用也最廣泛。硅轉(zhuǎn)接板的迅速發(fā)展主要得益于成熟的硅加工工藝和布線工藝，使得硅轉(zhuǎn)接板可與集成電路工藝完美兼容。

硅轉(zhuǎn)接板上TSV孔徑可做到10 μm以下，深寬比達(dá)到20以上，而RDL線寬可以達(dá)到1μm以下。另外，硅轉(zhuǎn)接板還具有熱導(dǎo)率高、與搭載的芯片CTE匹配等優(yōu)點(diǎn)。

硅轉(zhuǎn)接板的最大不足之處在于其制作成本昂貴，目前只在少數(shù)高端產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。目前，硅轉(zhuǎn)接板也面臨著一些工藝上的難題，比如TSV的絕緣、薄晶圓持拿等。另外，由于硅并非絕緣體，且介電常數(shù)較大（11.2），作為基底時(shí)會(huì)造成較大的損耗，尤其在高頻環(huán)境下會(huì)導(dǎo)致電路傳輸特性的下降。

2、玻璃轉(zhuǎn)接板

玻璃轉(zhuǎn)接板和硅轉(zhuǎn)接板結(jié)構(gòu)類似，通過(guò)玻璃通孔（TGV，Through Glass Via）實(shí)現(xiàn)上下面的垂直互連。

玻璃轉(zhuǎn)接板的優(yōu)勢(shì)主要有以下兩點(diǎn)：

1）玻璃轉(zhuǎn)接板的電學(xué)性能表現(xiàn)優(yōu)異，絕緣性好，具有較低的介電常數(shù)（5.3）及損耗角正切值（0.006）；

2）玻璃轉(zhuǎn)接板不需要制備絕緣隔離層，使得制備工藝大大簡(jiǎn)化，具有較低的成本。

此外，玻璃轉(zhuǎn)接板與裸片也有較好的CTE匹配，且不會(huì)存在像TSV漏電這樣的絕緣缺陷。

而制約玻璃轉(zhuǎn)接板發(fā)展的主要因素是玻璃加工及相關(guān)配套工藝的不成熟。

例如，TGV打孔工藝，目前只能通過(guò)激光刻蝕、噴砂、微機(jī)械加工等實(shí)現(xiàn)，存在加工效率低、精度低等缺點(diǎn)，孔徑通常在幾十微米以上，深寬比在10以下。同時(shí)，在玻璃上進(jìn)行細(xì)密布線比較困難，無(wú)法達(dá)到硅轉(zhuǎn)接板的集成密度。

另外，由于玻璃比較脆，會(huì)導(dǎo)致加工的良率降低。除了加工工藝不成熟外，散熱問(wèn)題對(duì)于熱導(dǎo)率低的玻璃轉(zhuǎn)接板來(lái)說(shuō)也是不小的挑戰(zhàn)。相對(duì)于硅轉(zhuǎn)接板和有機(jī)轉(zhuǎn)接板，玻璃轉(zhuǎn)接板最具潛在優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用是在高頻領(lǐng)域。

韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院的Sumin Choi等人對(duì)硅轉(zhuǎn)接板、玻璃轉(zhuǎn)接板和有機(jī)轉(zhuǎn)接板的信號(hào)傳輸特性進(jìn)行了對(duì)比分析，仿真結(jié)果表明，在10GHz的應(yīng)用頻率下，玻璃轉(zhuǎn)接板具有最好的傳輸特性。

對(duì)于高帶寬、高傳輸速率的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，玻璃轉(zhuǎn)接板是三種轉(zhuǎn)接板當(dāng)中的最佳選擇（如果其布線密度能滿足需求）。隨著高頻應(yīng)用尤其是5G通信的興起，玻璃轉(zhuǎn)接板在射頻領(lǐng)域越來(lái)越受業(yè)內(nèi)人士的青睞。

3、有機(jī)轉(zhuǎn)接板

有機(jī)轉(zhuǎn)接板的最大優(yōu)勢(shì)在于其成本低。

有機(jī)轉(zhuǎn)接板以有機(jī)高分子材料加增強(qiáng)相材料作為中間芯層（core），使用圖形化疊加工藝制作金屬布線，使用電鍍過(guò)孔（PTH，Plated Through Hole）實(shí)現(xiàn)上下的垂直互連。

這套工藝與倒裝焊封裝基底制備工藝類似，目前比較成熟，批量制造的成本也很低。

有機(jī)轉(zhuǎn)接板的缺點(diǎn)也非常明顯，首先，有機(jī)高分子材料熱膨脹系數(shù)比較大，有機(jī)轉(zhuǎn)接板與組件的CTE失配比較嚴(yán)重，容易引起熱應(yīng)力可靠性問(wèn)題，比如轉(zhuǎn)接板的翹曲、介質(zhì)材料斷裂等。

其次，有機(jī)轉(zhuǎn)接板的熱導(dǎo)率很低，不利于高密度集成的散熱。最后，受限于有機(jī)轉(zhuǎn)接板加工工藝的精度，其線寬和PTH的大小都無(wú)法與硅轉(zhuǎn)接板相媲美，嚴(yán)重阻礙了有機(jī)轉(zhuǎn)接板在高集成度、高I/O方面的應(yīng)用。

在集成密度要求不高和散熱問(wèn)題不嚴(yán)重時(shí)，有機(jī)轉(zhuǎn)接板是硅轉(zhuǎn)接板的低成本替代方案之一。2016年，Cisco公司的Li Li等人提出了一種用于高性能交換機(jī)的3D SiP封裝，這是有機(jī)轉(zhuǎn)接板的典型應(yīng)用案例之一。

受光刻工藝的制約，目前主流半導(dǎo)體制造公司生產(chǎn)的硅轉(zhuǎn)接板的尺寸都限制26 mm×32 mm以內(nèi)。為了突破該尺寸限制并降低制造成本，Cisco公司選擇了有機(jī)轉(zhuǎn)接作為SiP集成方案。如圖所示，有機(jī)轉(zhuǎn)接板的尺寸為38 mm×30 mm×0.4 mm，其上集成了一個(gè)ASIC芯片和4個(gè)高帶寬存儲(chǔ)器（HBM，High Bandwidth Memory）。線寬為6μm，PTH直徑為57μm，高度為200μm。頻域仿真分析表明，在20 GHz以下時(shí)，該SiP集成具有良好的性能，滿足使用的需求。作為有機(jī)轉(zhuǎn)接板，也有其局限性。由于布線密度不夠，為了實(shí)現(xiàn)互連的要求，該有機(jī)轉(zhuǎn)接板的布線層多達(dá)10層，大大增加了轉(zhuǎn)接板的厚度，造成了可靠性隱患。另外，該有機(jī)轉(zhuǎn)接板的翹曲高達(dá)100μm左右。

五、轉(zhuǎn)接板的應(yīng)用

為了降低轉(zhuǎn)接板集成的成本，提高轉(zhuǎn)接板性能，很多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)對(duì)此進(jìn)行了大量的研究。 在降低制造成本方面，早在1992年，IBM公司就提出了一種轉(zhuǎn)接板的制造方法，先在基板兩側(cè)布線，然后在基板上打通孔，在通孔內(nèi)濺射一層導(dǎo)電金屬，再通過(guò)絲網(wǎng)印刷的方法，將一種含有金和銀微顆粒的熱塑性導(dǎo)電聚合物填充通孔。

這種聚合物導(dǎo)電膠不僅用來(lái)填充通孔，還起著類似焊球的作用，用來(lái)連接上下多層轉(zhuǎn)接板或者芯片，該方法用低成本、耗時(shí)短的聚合物導(dǎo)電膠填充來(lái)代替高成本、耗時(shí)長(zhǎng)的TSV銅電鍍，可以降低轉(zhuǎn)接板成本，縮短轉(zhuǎn)接板開(kāi)發(fā)周期，但這種方法存在通孔填充不完全的問(wèn)題，通孔中的孔隙會(huì)導(dǎo)致可靠性方面的隱患。

2012年，佐治亞理工學(xué)院3D封裝研究中心的Sundaram等人提出了一種低成本、低電損耗的轉(zhuǎn)接板，用于邏輯-存儲(chǔ)芯片的集成，如下圖所示。

該轉(zhuǎn)接板采用多晶硅為基底，制備工藝如下：先使用激光在基底上燒蝕通孔，再使用熱壓工藝在通孔內(nèi)填充聚合物，在通孔的聚合物內(nèi)再打出孔，使用化學(xué)鍍或者電鍍來(lái)填充銅，最后再在雙面制備RDL。

由于轉(zhuǎn)接板上層及孔內(nèi)覆蓋有厚的聚合物，比起采用薄SiO2做絕緣的常規(guī)轉(zhuǎn)接板來(lái)說(shuō)，損耗要低很多。

該轉(zhuǎn)接板的低成本主要來(lái)自三方面，一是低成本材料及工藝的運(yùn)用。大面積多晶硅薄片的成本大大低于單晶硅。多晶硅上用激光燒蝕的方法即可獲得小孔徑的通孔，比起單晶硅用深反應(yīng)離子刻蝕（DRIE，Deep Reactive Ion Etching）要簡(jiǎn)單快捷。

二是工藝步驟的簡(jiǎn)化。采用薄晶圓打通孔再涂覆聚合物絕緣層的方法，避免了轉(zhuǎn)接板的背面減薄和背面制備絕緣層的工藝。

三是便于批量化生產(chǎn)。超大面積的多晶硅面板使得每個(gè)面板上的轉(zhuǎn)接板數(shù)量大大增加，降低了單個(gè)轉(zhuǎn)接板的成本。

2017年，韓國(guó)電子技術(shù)研究院的Lee等人提出了一種低成本、低TSV插入損耗的新型TSV轉(zhuǎn)接板，應(yīng)用于高頻RF器件當(dāng)中。該轉(zhuǎn)接板使用了特殊的硅核心同軸通孔(S-COV，Silicon-Core Coaxial Via)替代傳統(tǒng)TSV，其結(jié)構(gòu)如圖（a）所示，通孔內(nèi)部有一個(gè)硅軸心，硅軸心外層和孔側(cè)壁層都包覆著一層金屬銅，分別作為信號(hào)通道和接地通道，在孔側(cè)壁與硅軸心之間填充有機(jī)聚合物，其制備工藝如圖（b）所示。

得益于厚的有機(jī)聚合物隔離層以及信號(hào)-接地的同軸結(jié)構(gòu)，這種通孔的插入損耗要優(yōu)于傳統(tǒng)TSV。而且，該通孔不需要進(jìn)行完全銅填充的電鍍，只需要有銅導(dǎo)電層，節(jié)省了電鍍時(shí)間和成本。

硅轉(zhuǎn)接板集成技術(shù)兼容性好、可靠性高、設(shè)計(jì)靈活性強(qiáng)，是目前先進(jìn)封裝技術(shù)中比較切實(shí)可行的方案之一，在工業(yè)界內(nèi)得到了大量的應(yīng)用。

這些應(yīng)用中既有同質(zhì)芯片集成以擴(kuò)充芯片容量/運(yùn)算能力，也有異質(zhì)芯片集成以形成SiP。

在硅轉(zhuǎn)接板的發(fā)展歷程中，第一個(gè)引人矚目的商業(yè)產(chǎn)品當(dāng)屬Xilinx公司2011年公布的FPGA芯片Virtex-7 2000T，如圖所示。

該FPGA芯片采用臺(tái)積電的CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）28nm工藝，將4個(gè)FPGA裸片（die）排布在25 mm×31 mm大小的硅轉(zhuǎn)接板上，使得單片F(xiàn)PGA上邏輯單元的數(shù)量達(dá)到了200萬(wàn)個(gè)，是非三維集成單片F(xiàn)PGA容量的2.8倍。

2012年，Xilinx公司又推出了一款FPGA產(chǎn)品Virtex-7 H580T，在硅轉(zhuǎn)接板上集成了2個(gè)FPGA裸片和一個(gè)收發(fā)器裸片，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)接板上異質(zhì)芯片的集成。

高端顯卡也是硅轉(zhuǎn)接板應(yīng)用的一個(gè)主要領(lǐng)域。為了增強(qiáng)顯卡的性能、降低功耗，AMD公司于2015年發(fā)布了一款采用硅轉(zhuǎn)接板集成的顯卡Radeon R9 Fury X（Fiji），將顯卡核心（GPU/CPU/SoC）與顯存以及邏輯芯片集成在一個(gè)封裝中，如圖所示。

比起上一代非三維封裝顯卡Radeon R9 290X，該三維封裝顯卡的帶寬增加了60%，每瓦性能提高了兩倍多，芯片大小也縮減到原來(lái)的1/3以下。之后，ADM和NVIDIA公司又相繼推出了多款基于硅轉(zhuǎn)接板封裝的顯卡產(chǎn)品，比如NVIDIA于2016年推出的Tesla P100及AMD于2017年推出的Radeon Vega。這兩款顯卡產(chǎn)品比起Fiji來(lái)說(shuō)，線寬更小，集成度更高，性能也有了進(jìn)一步的提升。

六 、硅轉(zhuǎn)接板技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

盡管硅轉(zhuǎn)接板技術(shù)擁有諸多優(yōu)勢(shì)，擁有非常好的應(yīng)用前景，但目前仍面臨著一些產(chǎn)業(yè)和技術(shù)方面的挑戰(zhàn)，制約著硅轉(zhuǎn)接板技術(shù)的應(yīng)用和進(jìn)一步發(fā)展。

(1)最主要的制約因素是工藝成本高。

首先，轉(zhuǎn)接板制造包括TSV電鍍、多余銅去除、減薄、臨時(shí)鍵合/解鍵合等一系列工藝，流程復(fù)雜，不僅工藝成本高，流片周期也長(zhǎng)。

其次，由于整個(gè)工藝步驟多，且不完全成熟，因此良率不高，這也導(dǎo)致硅轉(zhuǎn)接板的制造成本進(jìn)一步增加。

(2)硅轉(zhuǎn)接板制備工藝本身還不成熟，面臨一些技術(shù)方面的挑戰(zhàn)。

比如，轉(zhuǎn)接板的光刻（包括大尺寸的限制、TSV背面對(duì)準(zhǔn)以及翹曲對(duì)光刻精度的影響等）、晶圓減薄和持拿、TSV無(wú)孔隙電鍍等關(guān)鍵工藝還有待改進(jìn)。

另外，TSV漏電流、轉(zhuǎn)接板翹曲以及熱應(yīng)力等問(wèn)題也有待進(jìn)一步解決。

(3)TSV堆疊的方式突破了傳統(tǒng)芯片的二維結(jié)構(gòu)，而與之相適應(yīng)的設(shè)計(jì)軟件及測(cè)試方法還很缺乏。

(4)產(chǎn)業(yè)環(huán)境還不完全成熟。

目前芯片設(shè)計(jì)、制造和封測(cè)各自分離的格局不利于轉(zhuǎn)接板集成技術(shù)的發(fā)展，還需要產(chǎn)業(yè)鏈的整合。此外，業(yè)內(nèi)對(duì)轉(zhuǎn)接板技術(shù)也未統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。