倒装芯片的三个基板技术

FC技术发明并发展的过程中，陶瓷基板一直在其中扮演着重要角色。但是，陶瓷基板成本较高。为了降低成本，近年来人们致力于提高传统低成本层压有机封装基板的性能，使用的方法包括研发多层层压基板、消除基板核心等。在FC的三维封装发展中，还应用到硅基板。

陶瓷基板是指将Cu箔在高温下直接键合到陶瓷基片表面上的特殊工艺板，可像印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）板一样能刻蚀出各种图形，而且所制成的超薄复合基板具有良好的电绝缘性能、高导热特性和高附着强度。
因此，陶瓷基板已成为大功率电子电路结构技术和互连技术的基础材料。Al2O3是最常用的陶瓷基板材料，具有优良的机械、热、电性能和化学稳定性，而且原料来源丰富，适用于各种各样的制造技术及不同的形状。
随着元器件尺寸的减小、产品精度要求的提高，直接镀铜陶瓷基板（Direct Plated Ceramic，DPC）成为陶瓷基板发展的一个主要方向。
DPC技术采用薄膜工艺，利用真空溅射、光刻等工艺在陶瓷基底上制作线路，使基板线路更加精确。DPC制备工艺温度较低，一定程度上避免了高温对于材料所造成的破坏或尺寸变异等现象，也减小了基板的制备成本。
一般在金属线路深宽比为1:1的前提下，DPC金属线路的线径宽度能够达到10μm~50μm。下图展示了几种DPC陶瓷基板。

2F

有机基板

 

（1）表面层合电路
在IBM公司发明SLC技术之前，FC工艺带来的互连密度只有多层陶瓷基板才能提供。SLC基板不仅可以满足FC工艺的要求，而且成本比陶瓷基板便宜的多，还可以通过对Cu导体和低介电常数绝缘材料的使用来获得更好的电气性能。

SLC是当今非常流行的低成本有机封装基板的基础技术，如下图所示，基板上的叠层（Build-up Layer）通过微孔垂直连接以支持FC互连。

SLC技术有芯板和表面层合电路两个主要部分，芯板由普通环氧树脂玻璃板制成，而SLC层则是在芯板的外层逐次增加由光敏环氧树脂制成的介电层及镀Cu的导体层，采用叠层法制成，最终实现多层结构的功能。一般来说，具有12层（2个核心层和10个叠压层）和10μm线宽和间距的叠层基板足以支撑大多数芯片的要求。
（2）无芯基板
无芯基板的概念最早由富士通于2006年提出，如图8所示。通过叠层层压有机封装基板（图a）和有机无芯封装基板（图b）之间的比较，可以看出无芯封装基板中没有芯板，基板中只存在堆积层。由于去除了芯板，无芯基板的成本更低、布线能力更高，具有更好的电气性能以及更小的外形尺寸。
但是同时，去除芯板后，无芯基板也面临着更易发生翘曲以及力学性能降低等问题。因此，尽管无芯基板有诸多优点，但是由于热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion，CTE）不匹配带来的基板翘曲难以控制，无芯基板一直无法得到广泛应用。

1F

硅基板 

（1）硅通孔转接板
在过去的几年中，人们发现即使是12层的叠层基板也难以支持对于高密度、高I/O数和超细间距的要求。例如现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）芯片，这就需要TSV转接板来进行更精细的布线，满足芯片要求。

下图展示了FPGA芯片，其中的TSV转接板（厚度100μm）有四层顶部RDL：三层Cu大马士革和一层Al。FPGA芯片之间的10000余个横向互连主要通过转接板上的0.4μm间距RDL进行连接，RDL和钝化层的最小厚度为1μm。每一个FPGA具有超过5万个节距为45μm的微凸点，对应的TSV转接板上有超过20万个微凸点。

TSV转接板的制造流程如下

◆

 ①将光刻胶涂覆到裸Si晶圆上，利用掩膜板经过曝光后确定TSV孔的位置，并对其进行显影工艺；

◆

 ②采用激光或深反应离子刻蚀（Deep Reactive Ion Etching，DRIE）工艺刻蚀形成符合设计要求的TSV孔；

◆

 ③由于Si是半导体材料，为了防止TSV漏电以及TSV间的串扰，必须在TSV孔壁上制作SiO2绝缘层，因此需要采用等离子体增强化学气相沉积（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）的方法将SiO2绝缘层沉积至TSV孔内壁上；

◆

 ④为了防止填充材料与SiO2或Si之间发生相互扩散，使用PVD方法进行阻挡层的制作，阻挡层的材料一般为Ti、TiN或Ta；

◆

 ⑤若在后续TSV中导电材料填充的过程中使用电镀工艺，则需使用PVD方法在阻挡层内壁上沉积一层Cu种子层，这是由于电镀工艺进行的前提条件为结构导电，因此需要在阻挡层表面覆盖一层种子层作为导电层，而最常用的TSV种子层材料为Cu；

◆

 ⑥TSV孔的填充方法不止一种，包括采用电镀方法填充Cu、Ti、Al或焊料，采用溅射方法填充W，或者采用真空印刷方法填充聚合物等；

◆

 ⑦在电镀完成后，必然会有多余的导电材料附着于晶圆表面，需要采用化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）工艺去除覆盖层；

◆

 ⑧为了使TSV达到互连结构的作用，还需要对晶圆进行背面减薄，并采用湿法或干法的工艺将导电材料外露，以便后续结构或器件的连接。在TSV制造完成后，还需要采用电镀等方法在转接板上制作RDL以实现互连。通过以上工艺过程可以看出，TSV的制作流程复杂、工艺成本非常高。

（2）去TSV转接板

为了降低成本、提高电性能、进一步减小封装外形，产业界在近几年掀起了去TSV（TSV-less）的风潮。所谓去TSV转接板，即消除TSV，仅保留Si基板的RDL层以实现互连，这项技术可以帮助转接板减低厚度和工艺成本。
使用穿硅孔（Through Silicon Hole，TSH）转接板替换TSV转接板。所谓TSH转接板，如下图(a)所示，孔内没有金属化，消除了TSV转接板中的介电层、阻挡层和种子层，也省略了TSV转接板的导电材料填充、CMP以及导电材料外露等工艺过程。

与TSV转接板相比，TSH转接板只需在硅片上通过激光或DRIE刻蚀制造通孔，并在硅片上制作RDL层即可。TSH同样可以起到帮助芯片堆叠的目的，可以让底部芯片的信号通过Cu柱和焊料传输到顶部芯片（反之亦然），同一侧的芯片还可以与TSH转接板的RDL进行通信。所有芯片的底部都需要焊接到TSH转接板上，以保证结构抵抗热学和力学冲击的能力，TSH转接板的底面还具有可连接到封装基板的焊料凸点。
2012年9月，Intel公司提出了嵌入式多芯片连接桥（Embedded Multidie Interconnect Bridge，EMIB）取代TSV转接板的构想。芯片之间的横向通信将由嵌入硅的电桥实现，而电源、接地以及其他信号则通过PCB进行传输，如下图(b)所示。EMIB技术的应用需要克服两个困难，一个是EMIB的制造，另一个是带EMIB基板的制造。

EMIB的制造需要首先在晶圆上构建多层RDL（包括焊盘），然后将减薄晶圆至约60μm，将晶圆的非RDL侧粘接到薄膜上进行划片，划片后得到单独的EMIB结构。
带EMIB基板的制造首先将单独EMIB结构的非RDL侧向下放置在基板腔体中的Cu箔上；然后在整个有机封装基板上层压树脂膜；在环氧树脂表面向下钻孔至EMIC，并向孔内镀Cu以实现基板到EMIB的连接；继续镀Cu以实现基板的横向连接；还可以通过层压、钻孔、镀Cu的方式制作多层层压互连结构；在基板最上层制作焊盘和微凸点，将多个FC芯片倒装至基板，实现芯片之间的横向连接。

2014年，Xilinx公司与SPIL公司共同研发了一种采用了去TSV转接板的FPGA芯片，这种去TSV基板技术被命名为无硅互连技术（Silicon Less Interconnect Technology，SLIT），下图(c)展示了这种新型的封装结构。可以看出，TSV被消除，转接板仅保留了顶部的四层RDL用以实现FPGA芯片的横向通信，转接板厚度大大减低。

SLIT技术中的去TSV转接板基本制造流程如下

◆

 ①在裸硅片上通过电镀的方法制造多层RDL；

◆

 ②将FC芯片对准到晶圆，采用回流焊或者热压键合的方法完成FC键合；

◆

 ③滴涂底填胶并固化；

◆

 ④采用EMC对晶圆进行一体成型；

◆

 ⑤对重构晶圆的表面进行减薄，露出FC芯片背面；

◆

 ⑥在重构晶圆的表面粘贴加固晶圆，然后对重构晶圆的背面进行减薄；

◆

 ⑦减薄至最外一层RDL后，采用钝化、光刻、掩模、蚀刻、溅射等一系列工艺构建UBM的粘接层和阻挡层；

◆

 ⑧电镀Cu润湿层和焊料，回流后形成C4凸点。

2016年，ASE公司提出使用FOWLP技术制造芯片的RDL，如下图(d)所示。扇出封装中FC芯片底部含RDL的转接板亦是一种去TSV转接板，这种方法也被称为扇出晶圆级基板上芯片（Fan Out Wafer-Level Chip-on-Substrate，FOCoS）技术。

*免责声明：转载仅为了传达一种不同的观点，不代表鑫尚宁对该观点赞同或支持，内容如有侵权，请联系本站！