从密度低的后埋孔TSV 硅3D集成化技术性，到密度高的的导线混和键合或3D VSLI CoolCubeTM解决方法，科学研究工作人员发觉很多开发商品的机遇。文中阐述了当今兴盛的硅3D集成化技术性，探讨了光学镜头、光量子元器件、MEMS、Wide I/O储存器和合理布局优秀逻辑性电源电路的硅中介公司层，紧紧围绕3D服务平台特性评定，关键详细介绍硅3D封裝的关键挑戰和技术性发展趋势。

硅的3D运用机遇

从起初为图象感应器设计方案的硅2.5D集成化技术性，到繁杂的密度高的的性能卓越3D系统软件，硅3D集成化是在同一集成ic上集成化全部作用的系统软件集成ic（SoC）以外的另一种适用多种类型的运用的解决方法，可用来建立性价比高高些的系统软件。硅3D集成化工艺的具体优点：减少互联线长短，减少R.C积，让优秀系统软件集成ic（SoC）可以竖直区划作用，进一步减少系统软件规格和外观设计因素。

在第一批发生的3D商品中，业内觉得储存器堆叠计划方案能够提升DRAM/逻辑性控制模块的容积/网络带宽，适用大数据处理系统软件、图型CPU、网络服务器和小型网络服务器（图1）。

图1：与逻辑性控制板相接的DRAM混和储存器堆叠控制模块（HMC）（来源于：美光）。

美光的混和储存器控制模块（HMC）和海力士的宽带网络储存器（HBM）逐渐进到批量生产环节，这两个解决方法都联接硅中介公司层，朝向大数据处理（HPC）运用。

Xilinx于2012年明确提出在硅中介公司层生产制造当场可编程控制器门阵列（FPGA）的定义，该工艺最开始选用CoWoS集成化加工工艺，造成供应链管理巨大变化，之后改成2个28nm FPGA和2个65nm混和数据信号集成ic层叠在65nm中介公司层上。

网络服务器对带宽测试和功耗的进一步要求促使了将CMOS/BiCMOS和光量子作用分离的各个安全通道传输速度达到25 Gb/s的硅光量子元器件服务平台（图2），及其发生了硅光中介公司层集成化技术性。

图2下左图：一个选用3D堆叠技术性在光量子元器件上安装BiCMOS元器件的电子光学封裝检测集成ic；下图：该集成ic在RX 25/28Gbps时的色标传感器精确测量图

科学研究工作人员以为在思维层上层叠储存层能够大幅度减少储存器与CPU中间的插口功能损耗。层叠在思维层上的Wide I/O DRAM（图3）的能效比是LPDDR解决方法的四倍，而且在未来两年内传输速度将做到50 GB/s 。

图3：放置65nm逻辑性层上的Wide IO储存器，高层/最底层具备1250个TSV互联线，1000个倒装句片铜柱（底端/ BGA）。

为了更好地给大数据处理或电信网运用给予带宽测试特性，科学研究员工制定了一个根据多线程3D Network-On-Chip构架的优秀逻辑性堆叠计划方案，选用3D封裝方式 将二颗一样的逻辑性裸片正反两面堆叠，证实了可拓展的同构3D堆叠方式 的工艺优点。该3D集成化计划方案的逻辑性集成ic选用CMOS 65nm生产制造加工工艺，应用高宽比为1:8 的TSV Middle通孔和40μm节径的铜柱联接集成ic（图4）。

图4 ：选用逻辑性集成ic堆叠方式 的多线程Network-on-Chip 3D构架

在2.5D TSV被引进CMOS光学镜头（图5）后，3D集成化技术性从2013年逐渐进到智能机和平板中，现阶段市場上出现数个不一样的互相竞争的堆叠技术性，数据解决层能够合理布局在硅衬底上，而不是清晰度列阵电源电路上，根据作用区划和工艺流程提升，图象传感器尺寸越来越更为紧密（图6）。

图5：圆晶级监控摄像头2.5D后埋孔方式 。

图6：sony光学镜头［11］选用立即键合 TSV的圆晶级堆叠解决方法（来源于：System Plus Consulting）。

图7：BOSCH选用TSV 3D技术性在ASIC中集成化3轴加速度传感器（来源于：Yole Developpement）。

3D技术性挑戰

3D集成化被广泛运用证实，TSV等优秀技术性连接点的主要控制模块技术性现已完善（图8）。如今，产品研发关键迁移到由市场的需求推动的挑战上：封裝应变力管理方法；根据改善排热高效率提升系統特性；提升集成ic间的互联相对密度。

图8：6x55μm 28FDSOI Via Middle 集成化TEM主视图，对检测移动载具合格率沒有危害，根据了TDDB、EMG和TC检测

针对很大的硅中介公司层而言，热机械设备应变力是一个必须考量的难点，必须处理硅光量子转变及其HBM/CPU集成化封裝难题，层叠中间的线膨胀系数（CTE）不配对可能导致裸片涨缩。依据裸片级折射率对溫度的敏感度，科学研究工作人员开发设计出一种应变力检测和涨缩赔偿对策，根据综合性应用黑影莫尔干涉仪（图9）、当场应测力传感器和有限元分析模型（FEM）方式 ，建立了介电层特点实体模型。（图10）

针对MEMS，缩微化指除成本费和特性以外的另一个多元化因素。2007年至今，技术性发展趋向是开发设计3D对映异构MEMS作用，包含根据TSV联接IC（图7）。

图9：应用ShadowMoiré干涉仪在常温下精确测量80 μm硅中介公司层的裸片级涨缩，精确测量結果有一个曲面离散系统涨缩。

图10：中介公司层机械设备应力场仿真模拟（下左图）和8片负应变力感应器置放方法（下图）。

科学研究工作人员运用X射线衍射技术性对TSV集成化造成的部分应变力开展了表现试验（图11）。同歩放射性物质纳米对焦X射线衍射精确测量图突出显示了TSV周边应变力的2D平面图遍布状况，并证实应变力分布与3D FEM仿真模拟有关。

图11：应用纳米技术对焦X射线束透射方式 测定的TSV周边应变力2D平面图室内空间应变力遍布。稀化试品是在室内温度和原点淬火历程中进行精确测量。

热管理方法是行业关心的危害3D特性的一个关键难题。精准的FEM实体模型与在TSV 3D电源电路上校正的紧凑热实体模型有利于设计流程改善，科学研究工作人员做了高导热率热管散热器原材料的测评，这类材质能够提升封裝的排热特性，承受更高的损耗功能损耗，能够明显减少不确定性的部分网络热点效用（图12），性能卓越制冷技术性被证实具备内嵌式微液体特点（图13）。

图12：3D电源电路处于被动热管散热器评定：高层裸片应用铜热管散热器与应用热裂解高纯石墨金属薄板（PGS）热管散热器的溫度原点精确测量比照（300mW网络热点）。

高层裸片上的60个微安全通道，安全通道深125 μm，宽75 μm，H2O /乙二醇化合物，在0.75 0，75 cm3/s，沒有热管散热器时，T》450°C

图13下左图）在一个网络热点聚集且密闭式Wioming 3D 电源电路上的微液体降温技术性（2000 W /cm2）。下图）在Si中蚀刻加工的微安全通道和鳍脚位的SEM图象

互联相对密度提升：混和引线键合加工工艺是一个市场前景不错的微突点技术性的代替方式 ，或是能够取代裸片互联应用的TSV立即金属氧化物键合方式 （图14）。

图14：互联线间隔伴随着新技术应用解决方法和机遇的产生而發展转变。

混和键合加工工艺容许后面工艺流程开展低节径的零距离的堆叠，但也给集成化和设计方案提升产生挑战。

CEA-LeTI 公布了一个集成化反面照明灯具（BSI）与操纵逻辑性模块的圆晶级混和键合封裝，证实低节径（5μm至24μm）焊层对准精度在400nm下列，并应用了2x6金属材料层0.13μm 双大马士革钢嵌入加工工艺（图15）。

图15：混和键合封裝的SEM图象（顶视图和3D主视图），包含BSI显像器构造 逻辑性的任何金属材料层。

为绕开非键合地区，务必提升焊层设计方案和外表打磨抛光工艺流程。套刻精密度好于250 nm的性能卓越指向系统软件可以完成最少7μm的密度高的节径（图16）。

科学研究工作人员干了键合页面一致性表现试验，在额外的热应变力试验后开展EDX剖析，未在空气氧化层发觉铜扩散现象（图17）。

图17：EDX混和键合页面表现，试验表明无铜根据页面蔓延（在焊层失准状况下）。

一份相关混和键合技术性的电力学表现试验和基本稳定性的调查报告证实，在300mm层叠芯片上，合格率做到100%，在30k菊花链时，页面电阻器离差较低。储热力循环试验（图18）結果证实，技术性完善的光学镜头专用型混和键合加工工艺完成了低电阻器离差（低于0.5％）（ST內部数据信息待发布）。

图18：混和键合稳定性试验結果。热力循环（下左图）和储热（下图）检测的电阻器离差低于0.5％。

立即键合的发展趋势：科学研究工作人员也许会想到更专业的解决方法，比如，3D VLSI CoolCubeTM集成化［22］，该方法运用特有的联接相对密度超出上百万/平方电线的埋孔技术性，能够竖直层叠双层集成ic，为异质性集成化产生新的机会（ 高缩微化的清晰度、CMOS与NEMS混和构架、III-V/Ge原材料）和设计方案协调能力，尤其适用于线长缩微或神经系统形状测算（图19）。

最底层FET加工工艺

体硅，FINFET， FDSOI…

规范加工工艺

W/SiO2线纹

立即键合高层有源器件

SOI 回蚀或SmartCutTM 加工工艺

适用各种各样衬底、原材料和对合

低烧费用预算高层FET

根据SPER或纳秒级激光器淬火激话夹杂

超低温外延性层

低烧费用预算和低K垫片

3D接触点完成与后工艺流程

3D埋孔=在金属氧化物层上生产制造规范的W型孔

铜心线和低K金线

图19 - CoolCubeTM 基本原理

结果

硅3D集成化已经变成 实际，是一个性能卓越的半导体材料集成化自主创新解决方法，能够取代因光刻技术项目投资巨大而在未来十年内无法保持经济收益的规范“颠覆性创新”。3D集成化被挑选后面的动机是特性、网络带宽、多元性、互联相对密度，及其系统软件缩微化、最后费用和顾客价值。热管理方法、热机械设备应变力和联接相对密度等问题都现有相对应的解决方案。伴随着立即混和键合套刻精密度提升，业内很有可能会想到自主创新的集成化方式 ，取代目前的裸片堆叠解决方法，简单化商品顾客价值，开发设计出空间布局、密度高的互联的性能卓越元器件。

责编：gt

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