三维集成电路与晶圆级3D集成介绍

文章来源：学习那些事

原文作者：小陈婆婆

本文介绍了3D封装中的硅通孔、IC键合和集成技术。  

微电子技术的演进始终围绕微型化、高效性、集成度与低成本四大核心驱动力展开，封装技术亦随之从传统TSOP、CSP、WLP逐步迈向系统级集成的PoP、SiP及3D IC方向，最终目标是在最小面积内实现系统功能的最大化。

3D封装技术历经MCM、堆叠封装到芯片级堆叠的迭代，而3D IC作为终极形态，依托TSV垂直互连、晶圆键合与超薄晶圆减薄三大核心技术，正突破二维缩放瓶颈，满足移动电子、可穿戴设备对低功耗、高计算能力的严苛需求。

本文分述如下：

硅通孔(TSV) 

3D IC键合与集成技术

晶圆级3D集成

硅通孔(TSV)

硅通孔（TSV）作为3D芯片封装的核心理异构集成技术，通过垂直互连路径最小化信号传输延迟，成为CPU-内存、闪存-控制器等高速数据交互场景的关键支撑，其技术演进深度融合了移动电子小型化需求与系统级封装（SiP）趋势。

TSV形成工艺涵盖激光钻孔、Bosch深度反应离子刻蚀（DRIE）及低温DRIE三大主流路径：激光钻孔依托聚焦激光束熔化/汽化硅材料实现通孔成型，虽工艺成熟但受限于≥25μm的孔径下限与锥形侧壁特性，多用于低引脚数场景。Bosch工艺通过刻蚀-钝化循环实现高深宽比垂直刻蚀，依托感应耦合等离子体（ICP）平衡氟自由基与聚四氟乙烯类钝化层沉积，在0.5mm硅片刻蚀中需百次级循环，侧壁呈现100-500nm振幅波纹。

低温DRIE则通过-110℃低温环境抑制各向同性刻蚀，结合氧化物/氟化物阻挡层形成原子级平滑侧壁，适用于光学器件等高精度需求场景。

TSV分类依据制造流程分为先通孔（CMOS前）、中通孔（CMOS后互连前）及后通孔（晶圆工艺后），先通孔采用多晶硅填充以耐受高温CMOS工艺，中通孔优选铜材料以利用其低电阻特性，后通孔则通过激光钻孔与电镀铜实现低成本大尺寸通孔，适配传感器、闪存等低I/O密度场景。

填充材料方面，铜凭借优越导电性成为主流，但需通过自底向上电镀解决空隙问题；钨、钼因低热膨胀系数（CTE）特性被用于缓解硅-铜CTE失配导致的热应力，而聚合物绝缘层通过降低介电常数与热应力，在电容优化与可靠性提升方面展现潜力。

当前，TSV技术正与硅光子集成、碳基半导体等前沿领域深度融合，例如在光通信模块中实现光电协同集成，或在AI加速器中通过3D TSV堆叠提升内存带宽；新型材料如石墨烯导热层、氮化镓基TSV的研发，则进一步拓展了高频、高功率场景下的应用边界，持续推动半导体封装向更高集成度、更低损耗的智能集成方向发展。

3D IC键合与集成技术

3D IC键合与集成技术作为半导体垂直整合的核心支柱，正通过多元化键合工艺与系统级优化推动三维集成向更高性能、更低功耗演进。在键合技术层面，氧化物熔融键合依托LP-CVD氧化物沉积与原子级抛光（Ra<0.4nm）实现超光滑表面，经H₂O₂/去离子水清洗后，通过Si-OH基团氢键结合与真空退火形成共价Si-O-Si键，确保晶圆级无缝连接；Cu-Sn共晶键合则利用150~280℃低温工艺实现Cu/Sn-Cu或Cu/Sn-Sn/Cu体系合金化，形成热力学稳定的Cu₃Sn合金（熔点676℃），通过Au/Ni缓冲层控制Sn消耗，适配50μm间距TSV互连；直接Cu-Cu键合凭借低温（<350℃）退火促进铜互扩散与晶粒再结晶，实现纯铜互连的优异电热性能与电迁移抗性，节距可压缩至10μm以下；聚合物胶黏剂粘接（如BCB、聚酰亚胺）则通过低温固化兼容后端工艺，提供应力缓冲与异质集成能力，但需解决固化回流导致的精密对准挑战。

3D IC集成通过垂直堆叠与TSV互连突破二维缩放瓶颈，实现封装尺寸缩减、成本优化与异质集成。英特尔2004年3D奔腾4 CPU采用面对面堆叠与背面TSV，实现15%性能提升与15%功耗降低；2007年Teraflops研究芯片通过TSV内存总线达成1TB/s总带宽与2.2W低功耗，验证了3D集成在带宽、功耗、设计自由度上的优势。然而，3D IC亦面临TSV布局占地（如45nm节点10μm×10μm TSV等效50个门）、测试复杂性（跨芯片模块无法独立测试）、热管理（堆叠热积累）、设计工具链缺失、供应链协同及标准缺乏等挑战。

当前，行业正探索混合键合、硅光子集成、碳纳米管导热层等前沿技术，如混合键合通过铜-铜与氧化物复合键合提升互连密度，硅光子集成实现光电协同计算，而碳基材料则优化高频场景下的热管理性能，持续推动3D IC向更高集成度、更低损耗的智能集成方向发展，在人工智能加速器、5G通信模块、自动驾驶芯片等领域展现广阔应用前景。

晶圆级3D集成

晶圆级3D集成在WLCSP领域展现出独特的技术路径与应用价值，尤其体现在CMOS图像传感器与MEMS封装的垂直整合中。以Tessera收购的Shellcase技术为核心，该工艺通过全晶圆级流程实现前后侧互连——硅晶圆与玻璃基板粘接后，经减薄至50~100μm，在焊盘扩展区下方形成沟槽，配合溅射铝层重布线与焊料凸点沉积，最终通过V形划片完成芯片分割。

这种设计在CMOS图像传感器中衍生出ShellOP、ShellOC、ShellBGA三种变体：ShellOP提供光学保护与边缘布线，ShellOC通过光学腔提升光接收效率，ShellBGA则适配背照式（BSI）传感器，通过薄化硅基板减少金属层散射，增强微光性能。例如，OmniVision OV14825便采用此技术，实现4416×3312像素阵列与15fps全分辨率输出，同时支持60fps 1080p视频拍摄，凸显其在移动设备中的薄型化优势。

在MEMS领域，3D晶圆级封装天然契合其三维机械结构需求。DRIE刻蚀形成的复杂结构通过CoW/WoW晶圆堆叠与焊球互连，实现ASIC与MEMS芯片的垂直整合，如ASIC倒装芯片与MEMS芯片面对面键合，形成紧凑的传感模块。这种集成不仅减少寄生效应，还通过共享基板降低整体尺寸，适配可穿戴设备等空间敏感场景。

然而，通用WLCSP的3D堆叠面临成本与集成度平衡的挑战。扇入型WLCSP受限于低I/O计数与小尺寸，3D集成需求不迫切；而扇出型WLCSP通过TMV与扇出工艺扩展封装尺寸，可借鉴BGA基板的3D概念，如基于TMV的PoP结构。当前，行业正探索无TSV的微型凸点倒装芯片互连、铜柱与晶圆成型技术的整合，为特殊应用提供定制化解决方案。例如，Shellcase MVP引入TSV实现垂直互连，减少对焊盘尺寸与间距的限制，提升晶圆利用率；而石墨烯导热层、硅-玻璃混合键合等新材料与工艺的引入，进一步优化了热管理与可靠性。

尽管成本仍是主要障碍，但3D WLCSP在图像传感、生物医疗、工业传感等细分领域的创新持续涌现。例如，集成微流控通道的3D MEMS封装实现芯片级实验室功能，或通过异质集成将传感器、处理器与存储器垂直堆叠，形成智能传感节点。这些进展不仅延续了WLCSP在小型化与高性能上的优势，更通过跨领域技术融合，推动半导体封装向更智能、更集成的方向发展。