文章來源：半導體全解

原文作者：圓圓De圓

本文主要講述什么是2.5D及3D封裝轉接板。

一、為什么需要2.5D及3D封裝

摩爾定律精準預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)濟的工藝制程，已引發(fā)整個半導體行業(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)步入后摩爾時代。

超越摩爾通過三維堆疊來實現(xiàn)多個芯片在平面和垂直方向的互連，用系統(tǒng)集成的策略來大幅度提升空間利用率。垂直互連技術從縱向維度進一步擴展，促進了系統(tǒng)級集成的不斷進步。轉接板形式的通孔技術是最有前景的互連方案之一，已成為全球先進封裝的研究熱點。

二、2.5D及3D封裝的結構組成

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

其中，3D封裝技術與2.5D封裝技術的差別主要在于3D封裝技術是通過硅通孔（ThroughSiliconVia, TSV）或玻璃通孔（ThroughGlassVia, TGV）把所有芯片都垂直連接，而2.5D封裝技術指的是將多個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，而中介層再通過通孔把芯片與封裝基板相連，進而實現(xiàn)多個芯片的垂直互連，這種將多種不同材質、尺寸、功能封裝到一個系統(tǒng)內(nèi)的技術也被稱作三維異質集成技術，其中實現(xiàn)中介層互連功能的關鍵工藝則是相應的通孔制備及孔金屬化。

三、轉接板(中介層)的典型結構

轉接板（中介層）主要包括基底和RDL。其上層RDL通過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）通過普通的凸塊或者焊球與封裝基底相連，實現(xiàn)轉接板與封裝管殼的電氣連接。轉接板的典型結構如圖所示。

轉接板基板可以是硅、玻璃或者有機高分子材料，上面有貫穿基板的通孔，實現(xiàn)轉接板正面和背面的電氣連接。轉接板上的TSV采用導電材料填充，外側包覆有絕緣層，對TSV和基底進行隔離。

TSV填充的導電材料通常是銅，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。

轉接板的RDL包括金屬布線和絕緣介質層，用來實現(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電鍍銅來制備，而介質層可以是無機介質如SiO2、Si3N4等，也可以是有機聚合物如聚酰亞胺（PI，Polyimide）、苯并環(huán)丁烯（Benzocyclobutene，BCB）等。

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

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

目前絕大多數(shù)轉接板是無源的，即上面集成的只有布線和無源器件，也有少數(shù)研究機構在轉接板上制備了CMOS晶體管來實現(xiàn)一些簡單功能，這種轉接板被稱為有源轉接板（active interposer）。

比如法國的半導體研究機構Leti在16年提出了一種2.5D封裝的片上網(wǎng)絡系統(tǒng)（NoC，Network on Chip），在有源硅轉接板上排布了6個通信芯片形成通信網(wǎng)絡系統(tǒng)，如圖所示。轉接板本身也制備了CMOS結構，集成了一些簡單的功能，包括功率變換和測試電路等。

有源轉接板的好處在于，可以將承載芯片的一些簡單功能轉移到轉接板上，或者在轉接板上配合相對應的承載芯片增加一些新的功能，這樣，不僅可以充分利用轉接板上的空間，提高集成度，還能增加系統(tǒng)功能或者提升系統(tǒng)性能。有源轉接板的局限在于，在轉接板上制備CMOS結構，相當于制備有源TSV芯片，工藝流程比無源轉接板復雜的多，成本也高；其集成結構類似3D TSV封裝，也會面臨著3D TSV封裝類似的問題。

四、轉接板的分類

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

1、硅轉接板

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

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

硅轉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)品中實現(xiàn)量產(chǎn)。目前，硅轉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），作為基底時會造成較大的損耗，尤其在高頻環(huán)境下會導致電路傳輸特性的下降。

2、玻璃轉接板

玻璃轉接板和硅轉接板結構類似，通過玻璃通孔（TGV，Through Glass Via）實現(xiàn)上下面的垂直互連。

玻璃轉接板的優(yōu)勢主要有以下兩點：

1）玻璃轉接板的電學性能表現(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）玻璃轉接板不需要制備絕緣隔離層，使得制備工藝大大簡化，具有較低的成本。

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

而制約玻璃轉接板發(fā)展的主要因素是玻璃加工及相關配套工藝的不成熟。

例如，TGV打孔工藝，目前只能通過激光刻蝕、噴砂、微機械加工等實現(xiàn)，存在加工效率低、精度低等缺點，孔徑通常在幾十微米以上，深寬比在10以下。同時，在玻璃上進行細密布線比較困難，無法達到硅轉接板的集成密度。

另外，由于玻璃比較脆，會導致加工的良率降低。除了加工工藝不成熟外，散熱問題對于熱導率低的玻璃轉接板來說也是不小的挑戰(zhàn)。相對于硅轉接板和有機轉接板，玻璃轉接板最具潛在優(yōu)勢的應用是在高頻領域。

韓國科學技術院的Sumin Choi等人對硅轉接板、玻璃轉接板和有機轉接板的信號傳輸特性進行了對比分析，仿真結果表明，在10GHz的應用頻率下，玻璃轉接板具有最好的傳輸特性。

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

3、有機轉接板

有機轉接板的最大優(yōu)勢在于其成本低。

有機轉接板以有機高分子材料加增強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，使用電鍍過孔（PTH，Plated Through Hole）實現(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。

有機轉接板的缺點也非常明顯，首先，有機高分子材料熱膨脹系數(shù)比較大，有機轉接板與組件的CTE失配比較嚴重，容易引起熱應力可靠性問題，比如轉接板的翹曲、介質材料斷裂等。

其次，有機轉接板的熱導率很低，不利于高密度集成的散熱。最后，受限于有機轉接板加工工藝的精度，其線寬和PTH的大小都無法與硅轉接板相媲美，嚴重阻礙了有機轉接板在高集成度、高I/O方面的應用。

在集成密度要求不高和散熱問題不嚴重時，有機轉接板是硅轉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的3D SiP封裝，這是有機轉接板的典型應用案例之一。

受光刻工藝的制約，目前主流半導體制造公司生產(chǎn)的硅轉接板的尺寸都限制26 mm×32 mm以內(nèi)。為了突破該尺寸限制并降低制造成本，Cisco公司選擇了有機轉接作為SiP集成方案。如圖所示，有機轉接板的尺寸為38 mm×30 mm×0.4 mm，其上集成了一個ASIC芯片和4個高帶寬存儲器（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，該SiP集成具有良好的性能，滿足使用的需求。作為有機轉接板，也有其局限性。由于布線密度不夠，為了實現(xiàn)互連的要求，該有機轉接板的布線層多達10層，大大增加了轉接板的厚度，造成了可靠性隱患。另外，該有機轉接板的翹曲高達100μm左右。

五、轉接板的應用

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

這種聚合物導電膠不僅用來填充通孔，還起著類似焊球的作用，用來連接上下多層轉接板或者芯片，該方法用低成本、耗時短的聚合物導電膠填充來代替高成本、耗時長的TSV銅電鍍，可以降低轉接板成本，縮短轉接板開發(fā)周期，但這種方法存在通孔填充不完全的問題，通孔中的孔隙會導致可靠性方面的隱患。

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

該轉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，使用化學鍍或者電鍍來填充銅，最后再在雙面制備RDL。

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

該轉接板的低成本主要來自三方面，一是低成本材料及工藝的運用。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離子刻蝕（DRIE，Deep Reactive Ion Etching）要簡單快捷。

二是工藝步驟的簡化。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面板上的轉接板數(shù)量大大增加，降低了單個轉接板的成本。

2017年，韓國電子技術研究院的Lee等人提出了一種低成本、低TSV插入損耗的新型TSV轉接板，應用于高頻RF器件當中。該轉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，其結構如圖（a）所示，通孔內(nèi)部有一個硅軸心，硅軸心外層和孔側壁層都包覆著一層金屬銅，分別作為信號通道和接地通道，在孔側壁與硅軸心之間填充有機聚合物，其制備工藝如圖（b）所示。

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

硅轉接板集成技術兼容性好、可靠性高、設計靈活性強，是目前先進封裝技術中比較切實可行的方案之一，在工業(yè)界內(nèi)得到了大量的應用。

這些應用中既有同質芯片集成以擴充芯片容量/運算能力，也有異質芯片集成以形成SiP。

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

該FPGA芯片采用臺積電的CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）28nm工藝，將4個FPGA裸片（die）排布在25 mm×31 mm大小的硅轉接板上，使得單片F(xiàn)PGA上邏輯單元的數(shù)量達到了200萬個，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，在硅轉接板上集成了2個FPGA裸片和一個收發(fā)器裸片，實現(xiàn)了轉接板上異質芯片的集成。

高端顯卡也是硅轉接板應用的一個主要領域。為了增強顯卡的性能、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的1/3以下。之后，ADM和NVIDIA公司又相繼推出了多款基于硅轉接板封裝的顯卡產(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來說，線寬更小，集成度更高，性能也有了進一步的提升。

六 、硅轉接板技術面臨的挑戰(zhàn)

盡管硅轉接板技術擁有諸多優(yōu)勢，擁有非常好的應用前景，但目前仍面臨著一些產(chǎn)業(yè)和技術方面的挑戰(zhàn)，制約著硅轉接板技術的應用和進一步發(fā)展。

(1)最主要的制約因素是工藝成本高。

首先，轉接板制造包括TSV電鍍、多余銅去除、減薄、臨時鍵合/解鍵合等一系列工藝，流程復雜，不僅工藝成本高，流片周期也長。

其次，由于整個工藝步驟多，且不完全成熟，因此良率不高，這也導致硅轉接板的制造成本進一步增加。

(2)硅轉接板制備工藝本身還不成熟，面臨一些技術方面的挑戰(zhàn)。

比如，轉接板的光刻（包括大尺寸的限制、TSV背面對準以及翹曲對光刻精度的影響等）、晶圓減薄和持拿、TSV無孔隙電鍍等關鍵工藝還有待改進。

另外，TSV漏電流、轉接板翹曲以及熱應力等問題也有待進一步解決。

(3)TSV堆疊的方式突破了傳統(tǒng)芯片的二維結構，而與之相適應的設計軟件及測試方法還很缺乏。

(4)產(chǎn)業(yè)環(huán)境還不完全成熟。

目前芯片設計、制造和封測各自分離的格局不利于轉接板集成技術的發(fā)展，還需要產(chǎn)業(yè)鏈的整合。此外，業(yè)內(nèi)對轉接板技術也未統(tǒng)一標準。