关键词：TSV、先进封装

1.TSV技术

TSV(Through Silicon Via)中文为硅通孔技术。它是通过在芯片与芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通；TSV技术通过铜、钨、多晶硅等导电物质的填充，实现硅通孔的垂直电气互联，这项技术是目前唯一的垂直电互联技术，是实现3D先进封装的关键技术之一。

（a）（b）

TSV封装(a)与叠层封装(b)对比图(图片来源：芯语)

2.TSV技术的优势

高密度集成：通过先进封装，可以大幅度地提高电子元器件集成度，减小封装的几何尺寸和封装重量。克服现有的2D-SIP(System In a Package，二维系统级封装)和PoP(Package on Package，三维封装堆叠)系统的不足，满足微电子产品对于多功能和小型化的要求。

提高电性能：由于TSV技术可以大幅度地缩短电互连的长度，从而可以很好地解决出现在SOC(二维系统级芯片)技术中的信号延迟等问题，提高电性能。

多种功能集成：通过TSV互连的方式，可以把不同的功能芯片(如射频、内存、逻辑、数字和MEMS等)集成在一起实现电子元器件的多功能。

降低制造成本：虽然目前TSV三维集成技术在工艺上的成本较高，但是可以在元器件的总体水平上降低制造成本。

TSV技术实现CMOS、MEMS以及光电子电路三维混合集成示意图(图片来源：知乎)

3.TSV的主要技术环节

1)通孔的形成

晶片上通孔的加工是TSV技术的核心，目前通孔加工的技术主要有三种，一种是干法刻蚀，一种是湿法刻蚀，还有一种是激光打孔。在这三种方法中，干法刻蚀具有速度快、方向性好、控制性强等优点成为通孔制造的最常用方法；激光打孔速度更快，但因为热损伤将导致精度降低，所以现行并未常用。

2)相关特殊晶片的制作

如果晶片用于3D封装则需要减薄，以保证形成通孔的孔径与厚度比例在合理范围。若不考虑层堆叠的要求，芯片间的通孔互连技术要求上层芯片的厚度在20-30微米。晶片减薄技术中需要解决磨削过程晶片始终保持平整状态，减薄后不发生翘曲、下垂、表面损伤扩大、晶片破裂等问题。

3)通孔的金属化

TSV的通孔金属化，通常是以电镀的方法进行的。但由于硅基板本身基体的导电性较差，不能直接进行电沉淀。所以，其金属化将首先使用PVD沉淀（Physical Vapor Deposition，物理气相沉淀）出厚度为数个纳米的电子层，使得硅基板有导电性之后，再进行电镀。

4)TSV键合

完成通孔金属化和连接端子的晶片之间的互连通常称为TSV键合技术。这种技术采用的工艺有金属-金属键合技术和高分子粘结键合等，而目前以金属-金属键合技术为主要方式，因为这种技术可以同时实现机械和电学的接触界面。例如铜-铜键合在350-4000℃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。

4.TSV的技术关键

3D IC技术继续向细微化方向发展，硅通孔3D IC技术互连尚待解决的关键技术之一是通孔的刻蚀。TSV穿孔主要有两种工艺取向---先通孔(via first)和后通孔（via last）,前者是在IC制作过程中制作通孔，后者在IC制造完成之后制作通孔。先通孔工艺又分为两种---前道互连型和后道互联型。前者是在所有CMOS工艺开始之前在空白的硅晶圆上，通过深度离子刻蚀(DRIE，Deep Reactive Ion Etching)实现，由于穿孔后必须承受后续工艺的热冲击（通常高于1000℃），因而多使用多硅晶作为通孔的填充材料；而后道互连型则是在制造流程中在制造厂实现的，一般使用金属钨或铜作为填充材料。显然，先通孔方法必须在设计IC布线之中预留通孔位置，在IC器件制造完成之后，在预留的空白区域进行穿孔，一般采用激光钻孔的方式，通过电镀镀铜实现金属化，因而具有更好的导电性能。

此外，3D TSV的关键技术还包括：通孔的形成；堆叠形式（晶圆到晶圆、芯片到晶圆或芯片到芯片）；键合方式（直接Cu-Cu键合、粘接、直接熔合、焊接）；绝缘层、阻挡层和种子层的淀积；铜的填充（电镀）、去除；再分布引线（RDL）电镀；晶圆减薄；测量和检测等。

5.TSV与先进封装的关系

TSV实质上不能说是一种封装技术方案，它只是一种先进封装工艺中的重要一环。由于TSV的诞生，半导体裸片和晶圆可以实现以较高的密度互联堆叠在一起，这也成为了先进封装的标志之一。在TSV诞生之前，芯片之间的大多数连接都是水平的，这意味着板上芯片与芯片之间将散布在板上，整体的占用空间将随着具体功能的增加而指数性增大。

6.TSV技术的应用与发展

TSV技术仍存在较高的技术壁垒，国内仅有少数企业具备量产能力。TSV作为半导体封装中较为独特的技术方向，早期主要来自以色列公司Shellcase的技术授权，或者企业本身的自主研发。国内目前具备TSV技术能力的厂商主要包括华天科技(昆山)、晶方科技、长电科技、硕贝德(科阳光电)等。国际上除台积电外，三星、英特尔(Intel)等大厂亦加速先进封装技术开发与产能布建，打造整合IC前后端制程一条龙供应链，并先后推出采TSV技术的异质整合3D IC解决方案，以解决整合逻辑芯片、高带宽存储器、特殊制程芯片的需求。

参考资料：

1．观研报告网：

2．奇普乐芯片：

3．3D堆叠技术与TSV工艺：

4．TSV技术：

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