3D芯片技术

华中科技大学，徐长发，2020.2.20

2D芯片追求微型化固然会带来不少好处，但同时也带来了其它方面的难题，一是控制精度和机械加工精度要达到纳米级别方面的困难，这种困难似乎*困难;二是芯片散热困难，线路密集会使芯片温度升高，会使微型器件失去正常的功能。

能不能折中一些，把多个2D部分功能的芯片联合在一起，堆叠封装成一个实用的芯片呢?

一.2.5D方案

芯片堆叠式的初期型态，是在基板(用于多路通信的集成电路)上面，将不同功能的芯片制作完成后，自下而上堆在一起，但这种堆叠没有在芯片上打孔连接，而是上下两片之间在侧面连接，这是2.5D式的芯片堆叠，只能称为3D的封装技术，如下图。

在芯片上打孔，将多层芯片堆叠并上下电性互联的，才是3D芯片。

二.3D芯片技术

1.TSV技术

硅通孔技术(TSV)就是在芯片上穿孔，让多层芯片纵向堆叠并用导线互相连接起来的技术。

如下图所示，将4层芯片堆叠，用TSV通孔互联，侧边用引线键合，整体封装。使用通孔技术(TSV)的称为3D芯片。

2. TSV技术具有明显的优势

①缩小封装尺寸; 

②高频特性出色，减小传输延时、降低噪声

③降低芯片功耗，据称，TSV可将硅锗芯片的功耗降低大约40%;    

④热膨胀可靠性高。    

⑤单层芯片是部分功能的，其设计和加工变得更容易了。

⑥堆叠起来的3D芯片的功能变得更强大了。

3.TSV的主要技术环节

1)通孔

晶片上可以设计先通孔(激光打孔)，再芯片刻蚀，组合封装。

多层芯片也可以先加工，后打孔，再一层一层地组装起来，最后封装起来。

无论是先通孔还是后通孔，在组装前都要考虑：

①层与层之间的绝缘问题;

②每层芯片的通孔刻蚀问题，在设计布线时要预留通孔位置，要在预留的空白区域进行穿孔，要对孔边刻蚀，镀铜，这样才能方便多层之间用金属把线路联通起来。

③芯片层线路与芯片层线路之间的导线连接问题。

2)晶片减薄 

如果不用于立体组合封装，晶片厚度一般是0.3～0.4mm;如果晶片采用组合封装，打孔的直径要小，现有等离子开孔和激光开孔技术都要求晶片厚度不超过0.1-0.2mm。

目前较为先进的多层封装使用的芯片厚度都在0.1 mm以下。未来芯片厚度将达到0.01mm甚至更薄。

晶片减薄要求会带来新的加工问题，因为晶片要经过粗磨、精磨和抛光等不同的加工工序，在各道工序中晶片必须保持平整状态，晶片减薄后还不能翘曲、变形和损伤，所以对机械加工精度的要求很高。    

3)TSV键合

多层芯片完成通孔后需要TSV键合，一般采用金属一金属键合技术，它可以同时实现机械和电学的接触界面。例如铜一铜键合，在350～4000C温度下施加一定压力并保持一段时间，接着在氮气退火炉中经过一定时间退火而完成TSV键合。现在这种TSV键合已经有相应设备问世。 

下图是已经完成通孔处理并将多层芯片键合的TSV封装剖面图。

4)散热问题。

随着“3D堆叠”堆叠元器件的增多，集中的热量如何有效散出去也成了大问题。这个问题应该有办法解决，例如芯片之间的隔离层可采用绝缘层夹导热层的复合型构造。

三.3D芯片的前景

3D芯片堆叠技术实际上是功能的堆叠技术，它一出现就引起了人们的重视，它的优点的确太吸引人了。现在，堆叠层数越来越多了，有的达到8-10层，体积还那么小，器件安排那么紧凑，它为设备开发新功能提供了便利。

例如，在手机中堆叠一块多功能摄像的芯片，堆叠一块处理图像的芯片，实现起来容易，但手机的功能倍增，这是一般人都能想到的。

同样的道理，一些仪器采用3D芯片，其功能倍增。

3D芯片堆叠技术的应用市场非常大，一旦全面投入市场，将极大的提升计算机芯片的功能。可以说，3D芯片堆叠技术代表了芯片未来的方向。

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