【摘要】：近年來,半導(dǎo)體封裝產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,出現(xiàn)了眾多新型應(yīng)用,例如各種MEMs傳感器,便攜式電子設(shè)備等。隨著半導(dǎo)體封裝技術(shù)的發(fā)展,半導(dǎo)體封裝產(chǎn)品中集成電路密度不斷增加,功能越來越多樣化和復(fù)雜化,器件性能不斷提高;然而傳統(tǒng)2D封裝是以光波光刻為基礎(chǔ),其所能實(shí)現(xiàn)的特征尺寸已經(jīng)逐漸逼近極限,摩爾定律發(fā)展遇到瓶頸,因此難以滿足市場需求。雖然出現(xiàn)了基于轉(zhuǎn)接板技術(shù)的2.5D封裝和基于引線互連的3D封裝,但是其對(duì)于器件功能的集成和可靠性會(huì)帶來更多挑戰(zhàn),就長期而言,也難以滿足根本需求。因此,基于TSV縱向互連技術(shù)的3D封裝已是大勢所趨,并且在國際上展開了廣泛研究。我國已經(jīng)在3D封裝等新型領(lǐng)域投入大量資金和人力,但國內(nèi)在基于TSV縱向互連技術(shù)的3D封裝方面的工藝研究仍然相對(duì)滯后,封裝可靠性方面還存在許多未解決的問題。本文圍繞TSV縱向互連技術(shù),針對(duì)關(guān)鍵工藝:晶圓減薄,銅-錫微凸塊鍵合和芯片堆疊等展開了一系列基礎(chǔ)研究,通過對(duì)關(guān)鍵工藝的研究,最終掌握了基于TSV縱向互聯(lián)的多層減薄芯片堆疊技術(shù),具體研究內(nèi)容如下:(1)由于TSV芯片堆疊需要大大降低每層芯片的厚度,以降低整體堆疊模塊的厚度,因此,本文研究了一套與TSV工藝兼容的集成晶圓減薄工藝,為多層芯片堆疊提供減薄芯片。該集成晶圓減薄工藝包括工藝參數(shù)優(yōu)化的機(jī)械磨削(最優(yōu)工藝參數(shù)為:砂輪轉(zhuǎn)速2000r/min,砂輪進(jìn)給率粗磨1um/s、精磨0.1um/s,托盤轉(zhuǎn)速300r/min),干法刻蝕/濕法腐蝕等表面應(yīng)力釋放處理,CMP拋光和超薄晶圓臨時(shí)鍵合、搬移。使用該集成晶圓減薄工藝,可將TSV硅晶圓減薄至40um。(2)為了研究多層薄芯片堆疊技術(shù),本文對(duì)傳統(tǒng)的芯片堆疊方法,包括普通銅錫微凸塊鍵合方法和銅錫微凸塊/高分子膠混雜鍵合方法通過模擬和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比。發(fā)現(xiàn)銅-錫微凸塊/高分子膠混雜鍵合方法雖然有利于提高整體鍵合強(qiáng)度,但由于高分子膠材料熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)超其他鍵合材料,因此在熱循環(huán)環(huán)境中容易產(chǎn)生熱失配,導(dǎo)致微互連鍵合層發(fā)生蠕變和疲勞損傷,從而降低鍵合模塊的熱機(jī)械可靠性。為解決該問題,通過有限元仿真研究,提出了一種改良的沉頭孔鍵合結(jié)構(gòu),可以在一定程度上提高整體剪切鍵合強(qiáng)度的情況下,同時(shí)保持同等的熱機(jī)械可靠性,并采用該改良鍵合結(jié)構(gòu),完成了10層芯片堆疊;(3)為了進(jìn)一步提高芯片鍵合強(qiáng)度和超薄芯片的可堆疊層數(shù),提出了一種基于納米多孔銅凸塊的銅-錫微凸塊鍵合技術(shù)。對(duì)普通銅-錫微凸塊堆疊芯片和納米多孔銅-錫微凸塊堆疊芯片進(jìn)行鍵合層成分和鍵合強(qiáng)度的比較,發(fā)現(xiàn)納米多孔銅-錫微凸塊鍵合時(shí)具有快速合金反應(yīng)的特點(diǎn),即可以在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)合金反應(yīng)的充分進(jìn)行,并達(dá)到較高的鍵合強(qiáng)度。基于該特點(diǎn),進(jìn)一步提出了一種新型的堆疊方法,以擺脫傳統(tǒng)自底向上逐層累加的方法的禁錮,增加每層芯片的總鍵合時(shí)間的均勻度。采用該堆疊方法,解決了傳統(tǒng)鍵合方法底部芯片因鍵合次數(shù)過多而導(dǎo)致微凸塊破損的問題,并使芯片可堆疊層數(shù)由10-12層提高至21層。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN405

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