试议3D封装到来时的机遇与挑战苏州德天光学技术有限公司1111摘要：本文揭示了在摩尔定律即将失效的大背景下，电子信息产业的开发思维、生产方式将发生一系列变革；较详尽地阐述了3D封装将是电子产业发展的必然趋势；反映了检测手段的提高是3D封装目前面临的主要难题。

分析了我国信息电子产业在此环境下所面临的机遇和挑战。

关键词：摩尔定律3D封装微焊点自动光学显微检测（MMI）机遇与挑战Discussion on the opportunities and challenges of the 3D pac kage’s comingLiu Bin, Yan ShixinSuzhou Detian Optical Technology Co., Ltd.Abstract: Against the background of Moore’s law will lose effectiveness，a variety of reformation will appear in the development and production mode of electronics and information industry; 3D-TSV will be the inexorable trend of the electronic industry, and the improvement of detection level is the main problem of 3D package. The opportunities and challenges electronics and information industry will be faced with under the circumstances were analyzed.Key Words: Moore’s Law, 3D Package, Micro-joint Automatic Optical Micro-Inspection (MMI), Opportunities and Challenges目前，国际电子信息行业正在经历一场新的变革，摩尔定律即将失效，3D封装蓬勃兴起，如果我们能抓住这个机会，对国内相关行业及其发展环境进行大力改革整顿，顺应世界发展潮流，将大大缩小我们同国际先进水平的差距。

1 摩尔定律的失效摩尔定律是由英特尔创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）提出来的。

其内容为：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。

这一定律揭示了信息技术进步的速度。

图 1 摩尔定律但是，进入新世纪后，实现等比例缩减的代价变得非常高，器件尺寸已接近单个原子，而原子无法缩减。

其次，尽管目前出现了多内核处理器，但日常使用的应用软件无法利用如此强大的处理能力；而建设芯片工厂的天价成本也阻碍摩尔定律了的延伸。

摩尔本人也明确表示，摩尔定律只能再延续十年，此后在技术上将会十分困难，在他看来，摩尔定律已经走到尽头。

由此将引起产业内的一系列的变革。

11.1 开发思维的变革与此同时人们逐渐发现，当今微电子产业的发展正在呈现出两个特点：一是更加符合摩尔定律（More Moore），即建立在摩尔定律基础上的CMOS技术将持续高速发展，更高集成度、更大规模的处理器和存储器件将在电子系统中扮演“大脑”的角色；而另一方面，由无源器件、传感器、通讯器件、连接技术等非数字技术的多种技术将会构成一股不容忽视的“超越摩尔定律（More than Moore也称新摩尔定律）”的新兴封装技术，在数字化的“大脑”周围构建起电子设备中感知和沟通外部世界的部分[1]。

图 2 新摩尔定律（超越摩尔定律）因此,当今业界的发展趋势不是一味地追求缩小器件的几何尺寸，而是倾向于提供更多的附加功能和特性，从而开辟全新的应用领域，为客户提供多元化服务及开发工具，实现超越摩尔定律的目标。

1.2 生产方式的变革为了延续摩尔定律的增长趋势，芯片技术已进入“超越摩尔定律”的3D集成时代。

以模块化封装，晶圆级封装和硅通孔技术为标准的3D封装集成技术将加速CMOS晶圆厂的合并、以及向无晶圆厂模式转变的趋势，最终3D封装技术将与SMT技术合二为一。

同时，一些MEMS应用也开始采用3D内插器模块平台来整合ASIC和MEMS芯片，此平台还可运用到许多SiP应用中。

这一切都是超越摩尔定律下的生产方式变革。

图 3 3D封装技术首先用于图像传感器，然后将进入半导体各个领域并不断增长可以预知的是，在这一重大变革到来之时，将带来如下产业群的发展：1.新的生产设备群诞生。

如键合机，烧结炉，微打孔机，微检测仪等等。

2.新的器件和材料群的诞生。

如接口器件、散热器件，导电材料等等同时由于生产方式的变革既带来了新的产业群的诞生同时也意未着传统的SMT设备淘汰。

1.3 设计、生产一体化的技术流程目前的制造行业面临着空前的挑战，不能不缩短产品的开发周期，尽可能地、尽快地推出具有更多功能、更好质量的产品，以更低的价格和最快的速度推向市场，并且还必须能够不断地去满足日益增多的客户的个性化的需求，快速地组成生产和销售。

而电子制造产业受摩尔定律影响，其产品更新换代的速率比其他行业更为迅速，这就对行业的各个方面，尤其是研发和设计的环节带来了非常严峻的挑战。

同时也对设计、管理、产业规划提出了更高要求：设计人员要有一体化概念在产品的开发过程中，设计人员通常因为信息来源的问题，很难能够清楚地去掌握现在的原材料的价格、供货周期甚至是产品的生产加工方式以及影响使用性能的重要因素。

因此，开发人员就很难在设计的过程里就去准确地估算产品的成本，可加工性甚至使用性能，使得开发周期增长，产品总成本大为增加。

我国的产品开发人员往往只注重局部功能的实现而忽略了产品的整体性能的提高，并且在这一思维的指导下，开发人员根本不考虑产品的可制造性，根本不会考虑生产设备共用性的问题，这样很难及时地将开发出来的产品，迅速地转化为商品，从而以最快的速度进入市场。

管理人员要有一体化意识但在摩尔定律濒临失效的背景下，电子制造业正迅速向系统化、模块化、多功能化方向，这就对研发人员提出了更高的要求：不仅整个系统开发人员与生产人员之间，而且各个模块开发人员之间也要相互交流合作，才能在最短时间内开发出功能最完善，系统整体性能更好的产品，从而在竞争中立于不败之地。

产业规划人员要有一体化思维电子制造业的发展必须有一个良好的产业链发展的环境。

而在一个国家或地区的发展规划中，产业链上的各部分往往分属于不同的部门，这就要求各部门产业规划人员之间能够充分沟通，对电子制造业产业链进行战略性整合，促进其飞速发展。

2 三维封装的兴起三维封装是将多个芯片垂直连接的一系列方法的统称，到目前为止，三维封装只在引线键合、倒装芯片、模块化封装等特定应用中取得成功。

然而，硅通孔封装技术（TSV）作为备选方案得到了迅猛发展。

硅通孔技术(TSV)是通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间互连的最新技术。

以TSV为代表的3D集成技术优势有：降低延迟：IBM半导体研发中心副总裁Lisa Su指出：TSV可把芯片上数据需要传输的距离缩短1000倍，并使每个器件的互连性增加100倍。

英特尔计划在未来的万亿赫兹研究型处理器中采用TSV技术。

降低功耗：据报道，IBM在90 nm节点的微处理器50%以上的有源开关功耗都用于驱动互连线，并且90%以上的功率实际上是由10%的长互连线消耗的。

据称，TSV可将硅锗芯片的功耗降低大约40％。

手机和其他一些应用需要更加创新的芯片级封装（CSP）解决方案。

现在系统设计师为了手机和其他很多紧凑型消费品，不得不选择用3D封装来开发z方向上的潜力。

因此，业内人士将TSV 称为继引线键合(Wire Bonding)、TAB 和倒装芯片(FC)之后的第四代封装技术。

据市场研究公司Yole Developpement统计，到2015年，3D-TSV晶圆的出货量将达数百万，并可能对25%的存储器业务产生影响。

2015年，除了存储器，3D-TSV晶圆在整个半导体产业的份额也将超过6%[2]。

图 4 3D技术平台市场细分2.1 3D封装目前所遇到问题对于3D-TSV阵列堆叠，关键要素有通孔形成/填充、晶圆减薄、质量评价与检测技术、凸点形成和芯片与芯片/衬底的键合等。

这些问题的解决将依赖于大量新型设备与工艺的开发。

图 5在设计方案提出之后，设备和材料就成为制造3D-TSV IC的关键因素减薄技术与设备减薄技术面临的首要挑战就是超薄化工艺所要求的<50μm的减薄能力。

在这个厚度上，硅片很难容忍减薄工程中的磨削对硅片的损伤及内在应力，其刚性也难以使硅片保持原有的平整状态。

目前业界的主流解决方案是采用东京精密公司所率先倡导的一体机思路，将硅片的磨削、抛光、保护膜去除、划片膜粘贴等工序集合在一台设备内，硅片从磨片一直到粘贴划片膜为止始终被吸在真空吸盘上，始终保持平整状态，从而解决了搬送的难题。

刻蚀技术与设备TSV制程都面临一个共同的难题：通孔的刻蚀。

目前通常有两种方法：激光钻孔以及深反应离子刻蚀(DRIE)。

激光加工系统供应商Xsil公司为TSV带来了最新解决方案，Xsil称激光钻孔工艺将首先应用到低密度闪存及CMOS传感器中，随着工艺及生产能力的提高，将会应用到DRAM中。

在TSV刻蚀设备领域，Lam Research推出了第一台300mm TSV刻蚀设备2300Syndion，并已发货至客户。

而Aviza针对TSV先进封装也推出了Omegai2L刻蚀系统，日月光(ASE)已宣布将采用此系统研发先进制程技术。

晶圆键合技术与设备EVG公司(奥地利)自2002年起,便致力于针对3D集成开发300mm晶圆键合设备,其首款300mm多反应腔3D键合系统已在2008年完成。

CEA-Leti (法国)及SET(法国)成功开发出新一代高精度(0.5μm)高键合力(4000N)的300mm晶圆器件键合设备FC300[4]。

质量评价与检测技术相关设备可以预见，TSV的特殊性还会给3D IC制造的检测和量测带来前所未有的困难，控制TSV 通孔工艺需要几何尺寸的量测，以及对刻蚀间距和工艺带来的各种缺陷进行检测。

通常TSV 的直径在1μm到50μm，深度在10μm到150μm，深宽比在3到5甚至更高，一颗芯片上的通孔大约在几百甚至上千。

减薄和键合工艺对检测和量测的需求更多。

厚度和厚度均匀度需要测量，工艺中必须监控研磨浆残留、微粒污染、铜微粒、应力引起的开裂、边缘碎片等。

对于键合，无论是芯片至晶圆、还是晶圆之间，在精准的对位的同时，还需要控制表面粗糙程度、表面洁净度和平坦度。