三維芯片集成與封裝技術

本書系統地討論了用於電子、光電子和MEMS器件的2.5D、3D，以及3DIC集成和封裝技術的近期新進展和未來可能的演變趨勢，同時詳盡地討論了IC的3D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。通過介紹半導體產業中IC按照摩爾定律的發展以及演變的歷史，闡述3D集成和封裝的優勢和挑戰，結合當前3D集成關鍵技術的發展重點討論TSV制程與模型、晶圓減薄與薄晶圓在封裝組裝過程中的拿持晶圓鍵合技術、3D堆疊的微凸點製造與組裝技術、3DSi集成、2.5D/3DIC集成和採用無源轉接板的3DIC集成、2.5D/3DIC集成的熱管理技術、封裝基板技術，以及記憶體、LED、MEMS、CIS3DIC集成等關鍵技術問題，最後討論3DIC封裝技術。

本書適合從事電子、光電子、MEMS等器件3D集成的工程師、科研人員和技術管理人員閱讀，也可以作為高等院校相關專業高年級本科生和研究生的教材和參考書。

譯者序
原書前言

第1章 半導體IC封裝的3D集成1
1.1引言1
1.2 3D集成2
1.3 3D IC封裝4
1.4 3D Si集成5
1.5 3D IC集成7
1.5.1混合記憶體立方7
1.5.2寬I/O DRAM和寬I/O 29
1.5.3高頻寬記憶體9
1.5.4寬I/O記憶體（或邏輯對邏輯）11
1.5.5無源轉接板（2.5D IC集成）12
1.6 TSV時代之前的供應鏈13
1.6.1前道工藝13
1.6.2後道工藝13
1.6.3封裝和測試代工13
1.7 TSV時代的供應鏈——誰製造TSV？14
1.7.1TSV通過先通孔工藝製造14
1.7.2TSV通過中通孔工藝製造14
1.7.3TSV通過後通孔（從正面）工藝製造14
1.7.4TSV通過後通孔（從背面）工藝製造14
1.7.5無源TSV轉接板怎麼樣？14
1.7.6誰想為無源轉接板製造TSV？15
1.7.7總結和建議15
1.8 TSV時代的供應鏈——誰負責MEOL、組裝和測試？15
1.8.1寬I/O記憶體（面對背）的中通孔TSV製造工藝15
1.8.2寬I/O記憶體（面對面）的中通孔TSV製造工藝16
1.8.3寬I/O DRAM的中通孔TSV製造工藝17
1.8.4帶有TSV/RDL無源轉接板的2.5D IC集成17
1.8.5總結和建議19
1.9採用TSV技術的CMOS圖像感測器19
1.9.1東芝的DynastronTM19
1.9.2意法半導體VGA CIS攝像模組20
1.9.3三星的S5K4E5YX BSI圖像感測器20
1.9.4東芝的HEW4 BSITCM5103PL圖像感測器21
1.9.5Nemotek的CIS22
1.9.6索尼ISX014堆疊式攝像感測器23
1.10帶有TSV的MEMS23
1.10.1意法半導體的MEMS慣性感測器23
1.10.2Discera的MEMS諧振器24
1.10.3Avago的FBAR MEMS濾波器24
1.11參考文獻26

第2章 矽通孔建模和測試31
2.1引言31
2.2 TSV的電學建模31
2.2.1通用TSV結構的解析模型和方程31
2.2.2TSV模型的頻域驗證34
2.2.3TSV模型的時域驗證38
2.2.4TSV的電學設計指南38
2.2.5總結和建議41
2.3 TSV的熱學建模42
2.3.1 Cu填充的TSV等效熱導率提取42
2.3.2TSV單元的熱學特性45
2.3.3 Cu填充的TSV等效熱導率方程48
2.3.4 TSV等效熱導率方程的驗證52
2.3.5總結和建議54
2.4 TSV的機械建模和測試54
2.4.1Cu填充TSV和周圍Si之間的TEM55
2.4.2製造中Cu脹出實驗結果56
2.4.3熱衝擊迴圈下的Cu脹出 60
2.4.4Cu填充的TSV排除區域62
2.4.5總結和建議65
2.5參考文獻67

第3章 用於薄晶圓拿持和應力測量的應力感測器70
3.1引言70
3.2壓阻式應力感測器的設計和製造70
3.2.1壓阻式應力感測器的設計70
3.2.2應力感測器的製造71
3.2.3總結和建議75
3.3應力感測器在薄晶圓拿持中的應用76
3.3.1壓阻式應力感測器的設計、製造和校準76
3.3.2矽片減薄後的應力測量80
3.3.3總結和建議81
3.4應力感測器在晶圓凸點製造中的應用81
3.4.1UBM製造後的應力82
3.4.2幹膜工藝後的應力84
3.4.3焊料凸點製造工藝後的應力85
3.4.4總結和建議85
3.5應力感測器在嵌入式超薄晶片跌落試驗中的應用87
3.5.1測試板和製造87
3.5.2實驗裝置和流程88
3.5.3原位應力測量結果89
3.5.4可靠性測試91
3.5.5總結和建議92
3.6參考文獻93

第4章 封裝基板技術96
4.1引言96
4.2用於倒裝晶片 3D IC 集成的帶有積層的封裝基板 96
4.2.1表面層壓電路技術96
4.2.2帶有積層的封裝基板的發展趨勢98
4.2.3總結與建議99
4.3無核心封裝基板99
4.3.1無核心封裝基板的優缺點99
4.3.2採用無核心基板替代Si轉接板100
4.3.3無核心基板翹曲問題及解決方法102
4.3.4總結與建議105
4.4具有積層的封裝基板的新進展105
4.4.1封裝基板積層頂部的薄膜層106
4.4.2翹曲和合格結果108
4.4.3總結與建議109
4.5參考文獻110

第5章 微凸點：製造、組裝和可靠性112
5.1引言112
5.2 25μm間距微凸點的製造、裝配和可靠性112
5.2.1測試板112
5.2.2微凸點的結構113
5.2.3ENIG焊盤的結構114
5.2.425μm間距微凸點的製造116
5.2.5在Si載體上製造ENIG焊盤118
5.2.6熱壓鍵合組裝119
5.2.7底部填充的評估123
5.2.8可靠性評估124
5.2.9總結和建議125
5.320μm間距的微凸點製造、組裝和可靠性125
5.3.1測試板125
5.3.2測試板裝配126
5.3.3熱壓鍵合微接頭的形成127
5.3.4微間隙填充128
5.3.5可靠性測試129
5.3.6可靠性測試結果與討論130
5.3.7微接頭的失效機理133
5.3.8總結與建議136
5.4 15μm間距微凸點的製造、裝配和可靠性136
5.4.1測試板的微凸點和UBM焊盤136
5.4.2組裝138
5.4.3採用CuSn焊料微凸點與ENIG焊盤組裝139
5.4.4採用CuSn焊料微凸點的組裝139
5.4.5底部填充的評估139
5.4.6總結與建議139
5.5參考文獻140

第6章 3D Si集成145
6.1引言145
6.2電子工業145
6.3摩爾定律和超越摩爾定律147
6.4 3D集成的起源148
6.5 3D Si集成的概述與展望149
6.5.13D Si集成的鍵合方法149
6.5.2Cu-Cu（W2W）鍵合151
6.5.3Cu-Cu(W2W)後退火鍵合152
6.5.4Cu-Cu(W2W)常溫鍵合152
6.5.5SiO2-SiO2(W2W)鍵合153
6.5.6W2W鍵合的一些注意事項157
6.63D Si集成技術面臨的挑戰157
6.73D Si集成EDA工具面臨的挑戰157
6.8總結和建議158
6.9參考文獻160

第7章 2.5D3D IC集成163
7.1引言163
7.23D IC集成的TSV工藝164
7.2.1晶片上的微通孔164
7.2.2先通孔工藝164
7.2.3中通孔工藝164
7.2.4正面後通孔工藝166
7.2.5背面後通孔工藝166
7.2.6總結與建議167
7.3 3D IC集成的潛在應用167
7.4記憶體晶片堆疊168
7.4.1晶片168
7.4.2潛在產品168
7.4.3組裝工藝170
7.5寬I/O記憶體或邏輯-邏輯堆疊170
7.5.1晶片170
7.5.2潛在產品171
7.5.3組裝工藝173
7.6寬I/O DRAM或混合記憶體立方175
7.6.1晶片175
7.6.2潛在產品177
7.6.3組裝工藝178
7.7寬I/O 2和高頻寬記憶體179
7.8寬I/O介面(2.5D IC集成)180
7.8.1TSV/RDL無源轉接板的實際應用182
7.8.2轉接板的製造183
7.8.3TSV的製造183
7.8.4RDL的製造184
7.8.5RDL的製造——聚合物/電鍍Cu方法185
7.8.6RDL的製造——Cu大馬士革方法187
7.8.7Cu大馬士革方法中接觸式對準光刻機的注意事項190
7.8.8背面加工和組裝190
7.8.9總結和建議191
7.9薄晶圓拿持193
7.9.1常規的薄晶圓拿持方法193
7.9.2TI的TSV-WCSP集成工藝194
7.9.3TSMC的聚合物薄晶圓拿持194
7.9.4TSMC無臨時鍵合和剝離的薄晶圓拿持195
7.9.5帶有散熱晶圓的薄晶圓拿持196
7.9.6總結與建議196
7.10參考文獻199

第8章 採用無源轉接板的3D IC集成203
8.1引言203
8.2採用TSV/RDL轉接板的3D IC集成203
8.3雙面貼附晶片的TSV/RDL轉接板204
8.3.1結構204
8.3.2熱分析——邊界條件206
8.3.3熱分析——TSV的等效模型206
8.3.4熱分析——焊料凸點/底部填充的等效模型207
8.3.5熱分析結果207
8.3.6熱機械分析——邊界條件210
8.3.7材料性能的熱機械分析——材料特性210
8.3.8熱機械分析結果211
8.3.9TSV的製造214
8.3.10採用頂部RDL的轉接板的製造217
8.3.11頂部帶RDL Cu填充的轉接板的TSV露出217
8.3.12採用底部RDL的轉接板的製造218
8.3.13轉接板的無源電學特性表徵221
8.3.14終組裝222
8.3.15總結和建議225
8.4兩側帶有晶片的TSV轉接板226
8.4.1結構226
8.4.2熱分析——材料特性227
8.4.3熱分析——邊界條件228
8.4.4熱分析——結果與討論228
8.4.5熱機械分析——材料特性231
8.4.6熱機械分析——邊界條件231
8.4.7熱機械分析——結果與討論232
8.4.8轉接板製造235
8.4.9微凸點晶圓的凸點製造238
8.4.10終組裝240
8.4.11總結和建議242
8.5用於3D IC集成的低成本TSH轉接板244
8.5.1新設計244
8.5.2電學模擬245
8.5.3測試板247
8.5.4帶UBM/焊盤和Cu柱的頂部晶片249
8.5.5帶有UBM/焊盤/焊料的底部晶片250
8.5.6TSH轉接板製造252
8.5.7終組裝253
8.5.8可靠性評估256
8.5.9總結和建議258
8.6參考文獻260

第9章 2.5D/3D IC集成的熱管理262
9.1引言262
9.2設計理念262
9.3新設計263
9.4熱分析的等效模型264
9.5頂部帶晶片/散熱片以及底部帶晶片的轉接板265
9.5.1結構265
9.5.2材料特性266
9.5.3邊界條件267
9.5.4模擬結果267
9.6頂部帶有晶片/散熱片以及底部帶有晶片/熱沉的轉接板268
9.6.1結構與邊界條件268
9.6.2模擬結果268
9.7頂部帶有四個帶散熱片晶片的轉接板270
9.7.1結構270
9.7.2邊界條件270
9.7.3模擬結果272
9.7.4總結和建議274
9.8 2.5D IC和3D IC集成之間的熱性能274
9.8.1結構274
9.8.2有限元模型276
9.8.3材料特性和邊界條件276
9.8.4低功率應用的模擬結果277
9.8.5高功率應用的模擬結果277
9.8.6總結和建議279
9.9帶有嵌入式微通道的TSV轉接板的熱管理系統279
9.9.1結構279
9.9.2適配器280
9.9.3熱交換器281
9.9.4載板282
9.9.5系統集成283
9.9.6壓降的理論分析283
9.9.7實驗過程285
9.9.8結果和討論286
9.9.9總結和建議289
9.10參考文獻290

第10章 嵌入式3D混合集成292
10.1引言292
10.2光電子產品的發展趨勢292
10.3舊設計——PCB上使用光波導的高頻資料互連293
10.3.1聚合物光波導294
10.3.2模擬——光耦合模型296
10.3.3模擬——系統連接設計301
10.3.4OECB組裝302
10.3.5OECB的測量結果303
10.3.6總結和建議305
10.4舊設計——嵌入式板級光互連306
10.4.1聚合物波導的製造306
10.4.245°微鏡的製造307
10.4.3OECB的組裝工藝313
10.4.4垂直光通道製造工藝313
10.4.5終組裝314
10.4.6總結和建議314
10.5新設計316
10.6一個嵌入式3D混合集成設計實例317
10.6.1光學設計、分析和結果318
10.6.2熱設計、分析和結果320
10.6.3機械設計、分析和結果322
10.6.4總結和建議325
10.7帶有應力消除間隙的半嵌入式TSV轉接板325
10.7.1設計理念325
10.7.2問題定義326
10.7.3工作條件下的半嵌入式TSV轉接板327
10.7.4環境條件下的半嵌入式TSV轉接板331
10.7.5總結和建議333
10.8參考文獻 334

第11章 LED與IC的3D集成337
11.1引言337
11.2Haitz定律的現狀和展望337
11.3LED已經走過了漫長的道路340
11.4LED產品的四個關鍵部分342
11.4.1LED襯底外延澱積342
11.4.2LED器件製造343
11.4.3LED封裝組裝與測試343
11.4.4 LED終產品組裝343
11.4.5 LED產品的展望346
11.5 LED與IC的3D集成347
11.5.1HP FCLED和薄膜FCLED347
11.5.2LED與IC的3D集成封裝349
11.5.3LED與IC的3D集成製造工藝350
11.5.4總結和建議355
11.6 IC和LED的2.5D集成356
11.6.1基於帶有腔體以及銅填充TSV的Si基板的LED封裝356
11.6.2基於腔體和TSV Si基板的LED封裝360
11.6.3LED晶圓級封裝364
11.6.4總結和建議368
11.7 LED與IC 3D集成的熱管理368
11.7.1新設計370
11.7.2IC和LED的3D集成：一個設計示例371
11.7.3邊界值問題371
11.7.4模擬結果（通道高度=700μm）372
11.7.5模擬結果（通道高度=350μm）376
11.7.6總結和建議377
11.8參考文獻 378

第12章 MEMS與IC的3D集成381
12.1引言 381
12.2 MEMS封裝381
12.3 MEMS與IC的3D集成383
12.3.1帶有橫向電饋通的MEMS與IC的3D集成383
12.3.2ASIC中帶有垂直電饋通的MEMS和IC的3D集成384
12.3.3封裝帽中帶有垂直電饋通的MEMS與IC的3D集成386
12.3.4在ASIC上帶有TSV的MEMS與IC的3D集成386
12.3.5MEMS與IC的2.5D/2.25D集成386
12.4 MEMS與IC 3D集成的組裝工藝387
12.4.1帶有橫向電饋通的MEMS和IC的3D集成389
12.4.2ASIC中帶垂直電饋通的MEMS和IC的3D集成389
12.4.3在封裝帽中帶有垂直電貫通的MEMS和IC的3D集成391
12.4.4關於情形10：一個真實的MEMS和IC的3D集成391
12.4.5總結和建議392
12.5採用低溫焊料鍵合的3D MEMS封裝392
12.5.1不同晶片尺寸的IC和MEMS 3D集成393
12.5.2帽晶圓中的腔體和TSV395
12.5.3MEMS晶片與ASIC晶圓鍵合(C2W)397
12.5.4帶有MEMS晶片的ASIC晶圓與帽晶圓的鍵合(W2W)399
12.5.5總結與建議400
12.6 MEMS先進封裝的新發展401
12.6.1用於RF MEMS晶圓級封裝的TSV技術401
12.6.2TSV與金屬鍵合技術實現RF-MEMS的零級封裝405
12.6.3基於帶Cu填充的TSV Si轉接板晶圓的MEMS封裝409
12.6.4基於FBAR振盪器的晶圓級封裝409
12.6.5總結與建議412
12.7參考文獻 414

第13章 CIS與IC的3D集成416
13.1引言 416
13.2FI-CIS和BI-CIS 416
13.33D CIS和IC堆疊418
13.3.1結構418
13.3.2CIS圖元晶圓和邏輯IC晶圓的製造418
13.43D CIS和IC集成 420
13.4.1結構420
13.4.2輔助處理器晶圓製造工藝流程 421
13.4.3CIS 晶圓的製造工藝流程 422
13.4.4終組裝423
13.5總結和建議424
13.6參考文獻425

第14章 3D IC封裝 426
14.1引言 426
14.2採用引線鍵合的晶片堆疊426
14.2.1Au線426
14.2.2Cu線和Ag線426
14.3疊層封裝428
14.3.1引線鍵合PoP 428
14.3.2倒裝晶片PoP 428
14.3.3倒裝晶片封裝上的引線鍵合封裝428
14.3.4iPhone 5s中的PoP 429
14.4晶圓級封裝 431
14.4.1扇入晶圓級封裝 431
14.4.2晶片-晶片的3D晶圓級封裝432
14.5扇出eWLP 435
14.5.1扇出eWLP 435
14.5.23D eWLP——雙晶片堆疊 437
14.5.33D eWLP——在eWLP上的晶片（面對面）438
14.5.43D eWLP——在eWLP上的晶片（面對背）438
14.5.53D eWLP——在eWLP上的封裝438
14.5.63D eWLP——在eWLP上的eWLP439
14.6嵌入式板級封裝440
14.6.1優勢和劣勢 440
14.6.2不同晶片嵌入工藝441
14.6.3SiP剛性基板中嵌入的晶片 442
14.6.4SiP柔性基板中嵌入的3D晶片442
14.6.5SiP柔性基板中嵌入的3D晶片堆疊 443
14.7總結和建議 444
14.8參考文獻 444

劉漢誠（John H. Lau）

博士是電子、光電、LED、CIS和MEMS元件和系統方面設計、分析、材料、工藝、製造、鑒定、可靠性、測試和熱管理等領域的著名專家，特別是在焊接力學和製造、符合RoHS 的產品、SMT、扇入和扇出倒裝晶片 WLP、TSV ，以及其他用於IC的3D集成和 SiP技術方面有著超高造詣。

劉博士擁有40多年的積體電路研發和製造經驗，撰寫或合作撰寫了超過425 篇技術論文，發佈或正在申請的專利多達30余項，並在全球範圍內進行了290多次講座/研討會/主題演講。他撰寫或合著了18部關於IC的3D 集成、TSV的3D 集成、先進 MEMS 封裝、IC的2D和3D互連可靠性、倒裝晶片 WLP、面陣列封裝、高密度 PCB、SMT、DCA、無鉛材料、焊接、製造和焊點可靠性等方面的教材。