3D封裝的發(fā)展動(dòng)態(tài)與前景

1 為何要開(kāi)發(fā)3D封裝 

迄今為止，在IC芯片領(lǐng)域，SoC（系統(tǒng)級(jí)芯片）是最高級(jí)的芯片；在IC封裝領(lǐng)域，SiP（系統(tǒng)級(jí)封裝）是最高級(jí)的封裝。 SiP涵蓋SoC，SoC簡(jiǎn)化SiP。SiP有多種定義和解釋，其中一說(shuō)是多芯片堆疊的3D封裝內(nèi)系統(tǒng)集成（System-in-3D Package），在芯片的正方向上堆疊兩片以上互連的裸芯片的封裝，SIP是強(qiáng)調(diào)封裝內(nèi)包含了某種系統(tǒng)的功能。3D封裝僅強(qiáng)調(diào)在芯片正方向上的多芯片堆疊，如今3D封裝已從芯片堆疊發(fā)展占封裝堆疊，擴(kuò)大了3D封裝的內(nèi)涵。（1）手機(jī)是加速開(kāi)發(fā)3D封裝的主動(dòng)力，手機(jī)已從低端（通話和收發(fā)短消息）向高端（可拍照、電視、廣播、MP3、彩屏、和弦振聲、藍(lán)牙和游戲等）發(fā)展，并要求手機(jī)體積小，重量輕且功能多。為此，高端手機(jī)用芯片必須具有強(qiáng)大的內(nèi)存容量。2005年要求256Mb代碼存儲(chǔ)，1Gb數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；2006年要求1Gb代碼存儲(chǔ)，2Gb數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，于是誕生了芯片堆疊的封裝（SDP），如多芯片封裝（MCP）和堆疊芯片尺寸封裝（SCSP）等；[1]（2）在2D封裝中需要大量長(zhǎng)程互連，導(dǎo)致電路RC延遲的增加。為了提高信號(hào)傳輸速度，必須降低RC延遲?？捎?D封裝的短程垂直互連來(lái)替代2D封裝的長(zhǎng)程互連；（3）銅互連、低k介質(zhì)層和CMP已成為當(dāng)今CMOS技術(shù)中的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)工藝。隨著芯片特征尺寸步入納米尺度，對(duì)低k介質(zhì)層要求越來(lái)越高，希望采用純低k（k＜2.8）介質(zhì)層。然而事與愿違，ITRS曾三次（三個(gè)節(jié)點(diǎn)）延期向低k介質(zhì)層的切換。2003年底在Sematech聯(lián)盟主辦的一次研討會(huì)上，與會(huì)者認(rèn)為，為改良IC互連面進(jìn)行的低k材料研究有可能接近某種實(shí)際極限，未來(lái)應(yīng)更多注重改進(jìn)設(shè)計(jì)及制造低k介質(zhì)層的能力，這表明實(shí)施SoC的難度。這就是開(kāi)發(fā)3D封裝的三條理由。從此，3D封裝如雨后春筍般地蓬勃發(fā)展。

2 芯片堆疊

手機(jī)已成為高密度存儲(chǔ)器最強(qiáng)、最快的增長(zhǎng)動(dòng)力，它正在取代PC成為高密度存儲(chǔ)器的技術(shù)驅(qū)動(dòng)，在2008年手機(jī)用存儲(chǔ)器可能超過(guò)PC用存儲(chǔ)器。用于高端手機(jī)的高密度存儲(chǔ)器要求體積小、容量大，勢(shì)必采取芯片堆疊。芯片堆疊的封裝主要兩種，一是MCP，二是SCSP。MCP涵蓋SCSP，SCSP是MCP的延伸，SCSP的芯片尺寸比MCP有更嚴(yán)格的規(guī)定。通常MCP是多個(gè)存儲(chǔ)器芯片的堆疊，而SCSP是多個(gè)存儲(chǔ)器和邏輯器件芯片的堆疊。

2.1 芯片堆疊的優(yōu)缺點(diǎn)

2004年3月Sematech預(yù)言，3D芯片堆疊技術(shù)將會(huì)填補(bǔ)現(xiàn)行的CMOS技術(shù)與新奇技術(shù)（如碳納米管技術(shù)）之間的空白。芯片堆疊于1998年開(kāi)始批量生產(chǎn)，絕大多數(shù)為雙芯片堆疊，如圖1所示。[2]到2004年底ST微電子已推出堆疊9個(gè)芯片的MCP，MCP最具經(jīng)濟(jì)效益的是4～5個(gè)芯片的堆疊。芯片堆疊的優(yōu)缺點(diǎn)、前景和關(guān)系如表1所示，表1給出了芯片堆疊與封裝堆疊的比較。[3]由于芯片堆疊在X和Y的2D方向上仍保持其原來(lái)的尺寸，并在Z方向上其高度控制在1mm左右，所以很受手機(jī)廠商的青睞。芯片堆疊的主要缺點(diǎn)是堆疊中的某個(gè)芯片失效，整個(gè)芯片堆疊就報(bào)廢。 

 

2.2 芯片堆疊的關(guān)鍵技術(shù)

芯片堆疊的關(guān)鍵技術(shù)之一是圓片的減薄技術(shù)，目前一般綜合采用研磨、深反應(yīng)離子刻蝕法（DRIE）和化學(xué)機(jī)械拋光法（CMP）等工藝，通常減薄到小于50μm，當(dāng)今可減薄至10～15μm，為確保電路的性能和芯片的可靠性，業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為晶圓減薄的極限為20μM左右，表2給出對(duì)圓片減薄的要求，即對(duì)圓片翹曲和不平整度（即粗糙度）提出的具體控制指標(biāo)。 

 
   
 

2.3 芯片堆疊的最新動(dòng)態(tài)

至2005年2月底，芯片堆疊的最高水平是富士通和英特爾，富士通內(nèi)存芯片堆疊8個(gè)芯片，芯片厚度25μm，芯片尺寸為8mm