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第1章 半导体集成电路封装3D集成1

1.1 引言1

1.2 3D集成1

1.3 3D IC封装4

1.4 3D Si集成5

1.5 3D IC集成7

1.5.1 混合存储器立方（HMC）7

1.5.2 Wide I/O动态随机存储器和Wide I/O 28

1.5.3 高带宽存储器（HBM）10

1.5.4 Wide I/O存储器（Logic-on-Logic）10

1.5.5 无源转接板（2.5 D IC集成）10

1.6 TSV技术时代供应链13

1.6.1 前道工艺（Front-End-of-Line）13

1.6.2 后道工艺（Back-End-of-Line）13

1.6.3 封装与测试（Outsourced Semiconductor Assembly and Test）13

1.7 TSV技术时代供应链——谁制造TSV？13

1.7.1 Via-First TSV工艺13

1.7.2 Via-Middle TSV工艺13

1.7.3 Via-Last TSV工艺（from the front Side）13

1.7.4 Via-Last TSV工艺（from the Back Side）13

1.7.5 无源TSV转接板？14

1.7.6 谁想用无源转接板TSV技术？14

1.7.7 总结和建议14

1.8 TSV技术时代供应链—谁负责中道工艺MEOL，装配和测试？14

1.8.1 Wide I/O存储器（面对背）的Via-Middle TSV制造工艺14

1.8.2 Wide I/O存储器（面对面）的Via-Middle TSV制造工艺16

1.8.3 Wide I/O DRAM的Via-Middle TSV制造工艺16

1.8.4 基于带有TSV/RDL转接板的2.5 D IC集成17

1.8.5 总结与建议18

1.9 CMOS图像传感器与TSVs19

1.9.1 东芝Dynastron图像传感器19

1.9.2 意法半导体的VGA CIS摄像头模块19

1.9.3 三星S5K4E5YX PSI CIS图像传感器20

1.9.4 东芝HEW4 BSI TCM5103PL图像传感器20

1.9.5 Nemotek CIS图像传感器21

1.9.6 索尼ISX014堆叠相机传感器22

1.10 使用TSV技术的微机电系统22

1.10.1 意法半导体的MEMS惯性传感器22

1.10.2 Discera的MEME振荡器22

1.10.3 Avago的FBAR MEMS滤波器24

1.11 参考文献24

第2章 硅通孔的建模和测试29

2.1 引言29

2.2 TSV的电气模型29

2.2.1 通用TSV结构的解析模型和方程29

2.2.2 TSV模型的频域验证32

2.2.3 TSV模型的时域验证35

2.2.4 TSV的电气设计指南38

2.2.5 总结与建议38

2.3 TSV的热模拟40

2.3.1 铜填充TSV等效热电导率法40

2.3.2 单个TSV的热特性43

2.3.3 铜填充TSV的等效热导率方程47

2.3.4 等效TSV热电导率方程验证48

2.3.5 总结与建议51

2.4 TSV机械建模和测试技术53

2.4.1 铜填充TSV和周围硅的透射电镜53

2.4.2 TSV制造的Pumping实验结果55

2.4.3 热冲击下铜Pumping58

2.4.4 铜填充TSV的Keep-Out-Zone区61

2.4.5 总结与建议64

2.5 参考文献64

第3章 应力传感器用于薄晶圆拿持和应力测量67

3.1 引言67

3.2 压阻式压力传感器的设计与制作67

3.2.1 压阻式压力传感器的设计68

3.2.2 压力传感器的制作69

3.2.3 总结与建议71

3.3 应力传感器在薄晶圆拿持中的应用73

3.3.1 压阻式压力传感器的设计、制造及校准73

3.3.2 晶圆减薄后的应力测量77

3.3.3 总结与建议78

3.4 应力传感器在晶圆凸块制造中的应用79

3.4.1 UBM制作的应力79

3.4.2 干膜处理后的应力79

3.4.3 焊料凸点工艺后的应力83

3.4.4 总结与建议84

3.5 应力传感器在嵌入式超薄芯片的跌落试验中的应用84

3.5.1 Test Vehicle与制造84

3.5.2 实验装置及流程85

3.5.3 原位应力测量结果86

3.5.4 可靠性测试88

3.5.5 总结与建议88

3.6 参考文献90

第4章 封装基板技术93

4.1 引言93

4.2 三维集成电路倒装芯片积层法封装基板93

4.2.1 表面层压电路技术93

4.2.2 积层法封装基板发展趋势95

4.2.3 总结与建议96

4.3 无芯封装基板96

4.3.1 无芯封装基板的优缺点96

4.3.2 采用无芯基板的替代硅转接板97

4.3.3 无芯基板翘曲问题和解决方案99

4.3.4 总结与建议102

4.4 积层法封装基板的最新进展102

4.4.1 薄膜层上建立封装基板层102

4.4.2 翘曲和可靠性结果106

4.4.3 总结与建议107

4.5 参考文献107

第5章 微凸点制造、装配和可靠性109

5.1 引言109

5.2 制造、装配和25μm间距凸点的可靠性109

5.2.1 Test Vehicle109

5.2.2 微凸点结构110

5.2.3 ENIG焊盘的结构112

5.2.4 25μm-pitch间距微凸点制造113

5.2.5 硅基板上ENIG焊盘的制作114

5.2.6 热压键合组装116

5.2.7 底部填充的评估120

5.2.8 可靠性评估121

5.2.9 总结与建议122

5.3 制造、装配和20μm间距微凸点可靠性123

5.3.1 Test Vehicle123

5.3.2 Test Vehicle的装配124

5.3.3 热压键合微连接的形成124

5.3.4 缝隙填充125

5.3.5 可靠性试验126

5.3.6 可靠性试验结果与讨论127

5.3.7 微连接失效机理130

5.3.8 总结与建议133

5.4 制造、装配，以及15μm间距凸点的可靠性134

5.4.1 微凸块和试验车辆的UBM垫134

5.4.2 组装135

5.4.3 CuSn凸点与ENIG焊盘组装136

5.4.4 CuSn凸点和CuSn凸点组装136

5.4.5 底部填充评估137

5.4.6 总结与建议138

5.5 参考文献138

第6章 三维硅集成143

6.1 引言143

6.2 电子工业143

6.3 摩尔定律和和超过摩尔定律144

6.4 三维集成的原点145

6.5 三维集成的概况与展望146

6.5.1 硅三维集成键合方法147

6.5.2 铜-铜（晶圆-晶圆）键合148

6.5.3 铜-铜（晶圆-晶圆）后退火键合150

6.5.4 铜铜（晶圆-晶圆）常温键合151

6.5.5 二氧化硅-二氧化硅（晶圆-晶圆）键合151

6.5.6 晶圆-晶圆键合的几个注释154

6.6 3D硅集成技术挑战154

6.7 三维硅集成EDA工具挑战155

6.8 总结和建议155

6.9 参考文献157

第7章 2.5 D/3D IC集成161

7.1 引言161

7.2 3D IC集成TSV工艺162

7.2.1 片上微孔162

7.2.2 Via-First工艺163

7.2.3 Via-Middle工艺163

7.2.4 前道Via-Last工艺163

7.2.5 后道Via-Last工艺163

7.2.6 总结与建议165

7.3 3D IC的潜在应用165

7.4 存储器芯片堆叠165

7.4.1 芯片介绍165

7.4.2 潜在产品166

7.4.3 组装工艺168

7.5 Wide I/O存储器或逻辑-逻辑堆叠168

7.5.1 芯片168

7.5.2 潜在产品168

7.5.3 组装工艺171

7.6 Wide I/O DRAM或混合内存立方173

7.6.1 芯片173

7.6.2 潜在产品175

7.6.3 组装工艺176

7.7 Wide I/O 2和高带宽存储器177

7.8 Wide I/O接口（2.5 D IC集成）178

7.8.1 TSV/RDL转接板实际应用178

7.8.2 转接板制造180

7.8.3 TSV制造181

7.8.4 RDL制造183

7.8.5 RDL制造-聚合物／镀铜方法183

7.8.6 RDL制造-大马士革方法185

7.8.7 大马士革方法接触对准注释188

7.8.8 后道工艺和组装188

7.8.9 总结与建议191

7.9 薄晶圆拿持191

7.9.1 常规薄晶圆拿持方法192

7.9.2 TI的TSV-WCSP集成工艺192

7.9.3 TSMC的薄晶圆拿持194

7.9.4 TSMC的无键合／拆键合工艺以及薄晶圆拿持194

7.9.5 带有均温板的薄晶圆拿持194

7.9.6 总结与建议197

7.10 参考文献199

第8章 基于转接板的3D IC集成203

8.1 引言203

8.2 基于TSV/RDL转接板的3D IC集成203

8.3 双面贴装TSV/RDL转接板203

8.3.1 结构203

8.3.2 热分析-边界条件206

8.3.3 热分析-TSV等效模型206

8.3.4 热分析-焊料凸点／填充等效模型206

8.3.5 热分析结果207

8.3.6 热机械分析-边界条件209

8.3.7 热机械分析-材料性能210

8.3.8 热机械分析-结果211

8.3.9 TSV制造214

8.3.10 顶部带有RDL的转接板制造216

8.3.11 顶部带有RDL铜填充转接板的TSV露铜217

8.3.12 底部带有RDL转接板制造219

8.3.13 转接板电学特性219

8.3.14 组装221

8.3.15 总结与建议224

8.4 在转接板两面组装芯片的TSV转接板225

8.4.1 结构225

8.4.2 热分析-材料性能226

8.4.3 热分析-边界条件226

8.4.4 热分析-结果和讨论227

8.4.5 热机械分析-材料性能230

8.4.6 热机械分析-边界条件230

8.4.7 热机械分析-结果及讨论230

8.4.8 转接板制造233

8.4.9 晶圆微凸块235

8.4.10 组装237

8.4.11 总结与建议241

8.5 成本低TSH转接板3D IC集成243

8.5.1 新设计243

8.5.2 电模拟244

8.5.3 试验246

8.5.4 顶部UBM／焊盘和铜凸块247

8.5.5 底部UBM／焊盘和焊料249

8.5.6 TSH转接板制作249

8.5.7 组装250

8.5.8 可靠性评估253

8.5.9 总结与建议257

8.6 参考文献258

第9章 2.5 D/3D IC集成的热管理261

9.1 引言261

9.2 设计理念261

9.3 新设计262

9.4 热分析等效模型263

9.5 顶部芯片／散热器以及底部芯片的转接板264

9.5.1 结构264

9.5.2 材料性能264

9.5.3 边界条件264

9.5.4 仿真结果266

9.6 顶部芯片／散热器以及底部芯片／热沉的转接板267

9.6.1 结构和边界条件267

9.6.2 仿真结果268

9.7 顶部有四芯片与散热器的转接板269

9.7.1 结构269

9.7.2 边界条件269

9.7.3 仿真结果270

9.7.4 总结与建议271

9.8 介于2.5 D和3D IC集成之间的结构热性能273

9.8.1 结构273

9.8.2 有限元模274

9.8.3 材料特性和边界条件274

9.8.4 仿真结果-低功率应用276

9.8.5 仿真结果-高功率应用276

9.8.6 总结与建议278

9.9 嵌入微流道的TSV转接板热管理系统278

9.9.1 结构278

9.9.2 适配器278

9.9.3 热交换器280

9.9.4 载板280

9.9.5 系统集成282

9.9.6 压降的理论分析283

9.9.7 实验流程284

9.9.8 结果及讨论285

9.9.9 总结与建议288

9.10 参考文献289

第10章 嵌入式三维混合集成291

10.1 引言291

10.2 光电产品的趋势291

10.3 基于PCB光波导的高速数据互连293

10.3.1 聚合物光波导293

10.3.2 模拟-光学耦合模型295

10.3.3 模拟-系统链路设计301

10.3.4 光电印制电路板的装配302

10.3.5 光电印制电路板的测量结果303

10.3.6 总结与建议305

10.4 嵌入式板级光互连305

10.4.1 聚合物光波导制作305

10.4.2 45°微镜的制作306

10.4.3 光电印制电路板的组装工艺312

10.4.4 垂直光通道制作工艺314

10.4.5 组装314

10.4.6 总结与建议315

10.5 新设计317

10.6 嵌入式3D混合集成设计实例318

10.6.1 光学设计、分析及结果318

10.6.2 热设计、分析及结果320

10.6.3 机械设计、分析及结果322

10.6.4 总结与建议324

10.7 带有应力消除缝隙的半嵌入式TSV转接板326

10.7.1 设计理念326

10.7.2 问题定义327

10.7.3 半嵌入式TSV转接板的操作条件327

10.7.4 半嵌入式TSV转接板的环境条件332

10.7.5 总结与建议333

10.8 参考文献335

第11章 LED和集成电路三维集成339

11.1 引言339

11.2 现状及Haitz定律展望339

11.3 LED已经走了很长的路！342

11.4 LED产品的四个关键部分344

11.4.1 LED衬底外延沉积344

11.4.2 LED器件的制备345

11.4.3 LED封装和测试345

11.4.4 LED组装345

11.4.5 LED产品展望346

11.5 LED和集成电路三维集成348

11.5.1 惠普FCLED和薄膜FCLED348

11.5.2 LED和IC的3D集成封装349

11.5.3 LED和IC三维集成制造流程351

11.5.4 总结与建议356

11.6 2.5 D IC和LED的集成357

11.6.1 基于带有腔体以及铜填充TSV的硅载板的LED封装358

11.6.2 基于腔体和TSV硅衬底的LED封装361

11.6.3 LED晶圆级封装365

11.6.4 总结和建议369

11.7 LED和IC三维集成的热管理369

11.7.1 新设计372

11.7.2 3D IC和LED的集成：一个设计实例372

11.7.3 边界值问题372

11.7.4 仿真结果（通道高度700μm）373

11.7.5 仿真结果（通道高度350μm）377

11.7.6 总结与建议377

11.8 参考文献379

第12章 MEMS与集成电路的三维集成383

12.1 引言383

12.2 MEMS的封装383

12.3 MEMS与集成电路三维设计385

12.3.1 带有横向电馈通的MEMS和IC的三维集成385

12.3.2 ASIC带有垂直电馈通的MEMS和IC的三维集成386

12.3.3 封装盖帽带有垂直电馈通的MEMS和IC的三维集成388

12.3.4 MEMS堆叠在ASIC上带有TSV的MEMS和IC的三维集成388

12.3.5 2.5 D/2.2 5D MEMS与IC集成388

12.4 MEMS与IC三维集成组装工艺389

12.4.1 带有横向馈电的MEMS和IC的三维集成389

12.4.2 ASIC带有垂直馈电的MEMS和IC的三维集成392

12.4.3 封装盖帽带有垂直馈电的MEMS和IC的三维集成392

12.4.4 案例10注释：MEMS和IC三维集成案例393

12.4.5 总结与建议393

12.5 三维MEMS封装的焊锡低温键合394

12.5.1 不同芯片尺寸的IC和MEMS三维集成394

12.5.2 盖帽晶圆的腔体及TSV396

12.5.3 MEMS芯片与ASIC晶片键合397

12.5.4 带有MEMS芯片的ASIC晶圆与盖帽晶圆的键合400

12.5.5 总结与建议402

12.6 MEMS先进封装的最新发展402

12.6.1 RF MEMS晶圆级封装TSV技术402

12.6.2 TSV与金属键合技术实现RF-MEMS零级封装404

12.6.3 基于铜填充的TSV硅转接板MEMS封装410

12.6.4 FBAR振荡器晶圆级封装410

12.6.5 总结与建议414

12.7 参考文献415

第13章 CMOS图像传感器和IC三维集成417

13.1 引言417

13.2 FI-CIS和BI-CIS417

13.3 CIS和IC堆叠419

13.3.1 结构419

13.3.2 CIS像素晶圆和逻辑IC晶圆制造420

13.4 CIS与IC集成421

13.4.1 结构421

13.4.2 协处理器晶圆制造流程421

13.4.3 CIS晶圆制造流程422

13.4.4 组装424

13.5 总结和建议425

13.6 参考文献426

第14章 3D IC封装427

14.1 引言427

14.2 采用引线键合芯片堆叠427

14.2.1 金线427

14.2.2 铜线和银线428

14.3 POP428

14.3.1 引线键合PoP429

14.3.2 倒装PoP429

14.3.3 倒装芯片上引线键合封装429

14.3.4 iPhone 5S中PoP封装429

14.4 晶圆级封装432

14.4.1 扇入晶圆级封装（Fan-In WLP）432

14.4.2 芯片-芯片3D晶圆级封装434

14.5 嵌入式扇出晶圆级封装（Fan-Out eWLP）434

14.5.1 Fan-Out eWLP435

14.5.2 双芯片eWLP3D堆叠437

14.5.3 3DeWLP-芯片在eWLP封装上（面对面）437

14.5.4 3D eWLP-芯片在eWLP封装上（面对背）438

14.5.5 3D eWLP-封装在eWLP封装上439

14.5.6 3D eWLP-eWLP封装在eWLP封装上440

14.6 嵌入式板级封装440

14.6.1 优势和劣势440

14.6.2 芯片嵌入流程441

14.6.3 刚性基板芯片嵌入式SiP443

14.6.4 柔性衬底芯片嵌入式3D SiP443

14.6.5 柔性衬底芯片嵌入式3D堆叠SiP443

14.7 总结和建议444

14.8 参考文献445

索引447