先進(jìn)封裝核心技術(shù)之一：TSV

在先進(jìn)封技術(shù)中，TSV（Through-Silicon Via，硅通孔）是一種關(guān)鍵的垂直互連技術(shù)，它通過(guò)在芯片內(nèi)部打通的通道實(shí)現(xiàn)了電氣信號(hào)的垂直傳輸。TSV可以顯著提高芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸效率，減少信號(hào)延遲，降低功耗，并提升封裝的集成密度。以下是對(duì)TSV技術(shù)的詳細(xì)解釋。

1. TSV的基本概念

TSV 是一種通過(guò)晶圓（Wafer）或芯片（Die）的垂直通孔，將多個(gè)芯片堆疊在一起并實(shí)現(xiàn)它們之間直接互連的技術(shù)。傳統(tǒng)的芯片互連方式通常依賴(lài)于平面布線(xiàn)，芯片之間的信息傳輸必須通過(guò)芯片的外部連接器，這導(dǎo)致了較大的信號(hào)延遲和更高的功耗。TSV通過(guò)直接穿過(guò)芯片硅片，構(gòu)建垂直的導(dǎo)電路徑，從而顯著減少了信號(hào)傳輸距離，提高了數(shù)據(jù)傳輸速度。

2. TSV的工作原理

TSV 的工作原理基于硅片中的深孔刻蝕技術(shù)，通過(guò)在硅片中打孔，再填充導(dǎo)電材料（通常是銅或其他高導(dǎo)電性的金屬）形成電氣連接。這些通孔貫穿整個(gè)芯片厚度，將不同芯片層或同一芯片內(nèi)的不同電路相互連接。TSV 可以作為芯片與芯片、芯片與封裝基板、以及芯片內(nèi)部不同電路層之間的高效電氣通道。

3. TSV的分類(lèi)

TSV主要分為兩類(lèi)：

2.5D封裝中的TSV：在2.5D封裝中，TSV通常用于中介層（Interposer）。中介層是一個(gè)帶有TSV的載體，用于承載多個(gè)芯片（例如處理器和內(nèi)存等），這些芯片通過(guò)TSV在中介層上進(jìn)行互連，而不是直接堆疊在一起。2.5D TSV技術(shù)主要應(yīng)用于需要高度互連和高帶寬的系統(tǒng)，如高性能計(jì)算和數(shù)據(jù)中心芯片。

3D封裝中的TSV：在3D封裝中，TSV實(shí)現(xiàn)了芯片的垂直堆疊。每個(gè)芯片層通過(guò)TSV直接相互連接，形成一個(gè)整體。這種垂直集成的方式允許不同功能模塊（如處理器和內(nèi)存）高度集成在同一個(gè)封裝中，顯著提高了芯片的集成密度和性能，同時(shí)減少了封裝的尺寸。

4. TSV的優(yōu)勢(shì)

高帶寬和低延遲：由于TSV縮短了芯片之間的信號(hào)傳輸路徑，因此顯著提高了數(shù)據(jù)傳輸帶寬，減少了信號(hào)延遲。

功耗降低：傳統(tǒng)的平面連接方式需要更長(zhǎng)的導(dǎo)線(xiàn)，導(dǎo)致更多的功耗損失。TSV通過(guò)縮短連接路徑和使用高效導(dǎo)電材料，減少了電能的損耗。

小型化和高密度集成：TSV技術(shù)使得芯片能夠進(jìn)行垂直堆疊，從而節(jié)省了封裝的平面空間。這使得電子設(shè)備能夠在保持高性能的同時(shí)變得更小更輕。

支持異構(gòu)集成：TSV允許不同工藝技術(shù)、不同功能的芯片（如邏輯芯片、存儲(chǔ)芯片、射頻芯片等）在同一封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)集成。這種集成方式大大提高了系統(tǒng)的功能集成度和設(shè)計(jì)靈活性。

5. TSV的技術(shù)挑戰(zhàn)

盡管TSV具有諸多優(yōu)勢(shì)，但其制造過(guò)程面臨諸多挑戰(zhàn)：

深孔刻蝕：TSV的制造需要在硅片中進(jìn)行精確的深孔刻蝕，這是一項(xiàng)復(fù)雜且昂貴的工藝，需要確保孔的垂直度和深度一致性。

填孔技術(shù)：TSV通孔需要用導(dǎo)電材料（通常是銅）進(jìn)行填充，保證電氣連接的可靠性。這需要高精度的填充工藝，避免出現(xiàn)孔隙或材料不均勻的問(wèn)題。

熱管理和應(yīng)力問(wèn)題：由于TSV是直接貫穿硅片的結(jié)構(gòu)，封裝過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，特別是在多芯片堆疊中。這些應(yīng)力可能導(dǎo)致芯片變形或破裂，需要精密的熱應(yīng)力管理技術(shù)。

電氣隔離：TSV 通孔之間的電氣隔離也需要進(jìn)行精確控制，以防止相鄰的TSV產(chǎn)生電氣干擾。

6. TSV的應(yīng)用領(lǐng)域

隨著TSV技術(shù)的成熟，它在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸擴(kuò)大，包括：

高性能計(jì)算：TSV廣泛用于高性能處理器和圖形芯片中，用以提高計(jì)算效率和數(shù)據(jù)傳輸帶寬。

存儲(chǔ)器封裝：TSV技術(shù)已經(jīng)在3D NAND存儲(chǔ)器等產(chǎn)品中得到應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了更高的存儲(chǔ)密度和數(shù)據(jù)傳輸速度。

圖像傳感器：TSV在高端圖像傳感器封裝中用于提高數(shù)據(jù)讀取速度和降低功耗，滿(mǎn)足對(duì)圖像處理要求高的應(yīng)用場(chǎng)景。

移動(dòng)設(shè)備和可穿戴設(shè)備：在這些需要極度小型化和高性能的電子設(shè)備中，TSV技術(shù)為芯片小型化和功能集成提供了有效的解決方案。

7. TSV的未來(lái)發(fā)展

未來(lái)，隨著半導(dǎo)體制程節(jié)點(diǎn)的不斷縮小和對(duì)高性能、高密度集成需求的增長(zhǎng)，TSV技術(shù)將繼續(xù)發(fā)展。工藝的改進(jìn)、材料的創(chuàng)新以及更高效的熱管理和應(yīng)力控制方法，將推動(dòng)TSV在下一代封裝技術(shù)中扮演更加重要的角色。

小結(jié)一下，TSV作為先進(jìn)封裝中的核心技術(shù)之一，憑借其在高密度集成、高帶寬傳輸和低功耗設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)，正在推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)朝著更小型化、更高性能的方向發(fā)展。

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作者：胡工，北京大學(xué)微電子本碩，北京大學(xué)半導(dǎo)體校友會(huì)成員，在半導(dǎo)體行業(yè)工作多年，常駐深圳。歡迎交流，備注姓名+公司+崗位。