试议3D封装到来时的机遇与挑战

刘斌，严仕新

(苏州德天光学技术有限公司，江苏 苏州 215000)

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(GordonMoore)提出，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1倍(见图1)，性能也将提升1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的延伸。摩尔本人也明确表示，摩尔定律只能再延续10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。

1.1 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(见图2)，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(见图3)。

图3 3D封装技术应用领域

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；

(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。

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，应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：

(1)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，很难清楚地去掌握现状原材料的价格、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。

(2)管理人员要有一体化意识。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、多功能化方向发展，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。

(3)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90nm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](见图 4)。

图4 3D技术平台市场细分

2.1 3D封装目前所遇到问题

2.1.1 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1～ 50μm，深度在10～ 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。另外，一些新的工艺步骤也需要考虑监控，比如尺寸在几十个微米的凸点阵列等。

目前3D封装技术的发展面临的最大难题是制造过程中实时工艺过程的实时检测问题，因为这一问题如果解决不了，那么就会出现高损耗，只有控制了每一道生产工艺，就能有效地保证产品的质量,从而达到有效地降低废品率。苏州德天光学技术有限公司开发的微焊点自动光学显微检测仪(MMI)的出现刚好解决了这一技术难题，它可满足所有3D封装的每一个检测点的实时工艺过程控制的要求，微焊点自动光学显微检测仪(MMI)的出现将大大促进3D封装的发展。

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(见图5)。

图5 制造3D-TSV IC的关键因素

2.1.2 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。

2.1.3 刻蚀技术与设备

TSV制程均面临一个共同的难题：通孔的刻蚀。目前有两种方法：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300mmTSV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。

2.1.4 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]。

2.2 3D封装兴起对电子产业的影响

由于表面贴装技术(Surface Mount Technology，SMT)受到加工精度、可生产性、成本和组装工艺的制约，大大限制了高密度组装的发展。为此，元器件由QFP向BGA、CSP、晶圆级封装 (Wafer–Scale Package，WS–CSP)方向发展，封装器件的外形尺寸越来越小(见图6)。

图6 封装尺寸变化

但即便这样，仍不能满足对微型化日益增加的需求，为此开始引入了封装器件三维(3D)堆叠组装的理念[3](见图7)。

图7 POP和PiP

3D封装的出现，改变了以往先封装后组装的模式，使封装工艺与前道工艺紧密地结合在一起，作为传统后道工艺的SMT技术除了在某些特别领域仍有少量应用外，将大幅度退出封装市场，为新兴的3D封装技术所取代。在此过程中，大量SMT相关的设备将不得不被淘汰，如贴片机、印刷机、回流炉等。

为了将3D-TSV阵列堆叠从概念转变为生产，需要在制造设备和重大研发工作方面投资。现阶段研发工作的焦点在于如何让整合生产链 (如减薄、固定和芯片内工艺)。从而通过总体成本优化和降低终端用户风险来使主流厂商接受TSV工艺。

应用材料公司正在努力加快TSV的广泛应用。为了加快主流应用，该公司正在和其他设备厂商加强合作，包括Semitool公司和一些硅片引线厂商，全面定义工艺流程中相互制约的因素，降低总体成本。

美国半导体制造技术战略联盟(Sematech)3D互联总监Sitaram Arkalgud认为：“以TSV为代表的三维技术在LSI的高性能化及多功能化、低耗电化以及减少占用空间等方面更有优势”。但是，“这种技术上的潜力与实际的大量生产还有距离”，因此“不应将三维连接视为单一的要素技术”。第一，由导入三维技术来提高生产效率，应由各层供货商齐心协力来实现，而不是诸如只需特定的制造装置业界努力就能实现的问题。需要前端工序、封装、设计、测试等电子产业整体的合作。第二，成本优势不是单从芯片，而应是从整个系统出发来评估。在推动TSV技术向前发展的过程中，大量新的产业链将在电子产业整体合作中产生。

3 机遇与挑战

面对世界蓬勃发展的电子产业形势，分析我国目前的产业现状，一些问题值得我们深思。我国自从新中国成立后由于内乱已失去了多次发展的良机，在电子信息产业面临全面洗牌之际，应该如何谋划我国的原生态产业发展目标，是时不我待的头等大事。只有先进的生产设备体系的建立，才能达到成为制造强国的目的，国力的增强才实而不虚。

3.1 战略层面的考虑

电子产业必须与时俱进才能发展。国际电子产业发展的历史证明了这一点。我国电子产业如何与时俱进？当务之急是研究我国电子产业的发展战略，制订发展规划。从战略方面考虑，需要做到：一是积极推进先进新兴产业的发展；二是高度重视不同领域和技术的交叉和融合，优化我国电子产业的科研生产体系；三是重视电子产业人才的培养，积极倡导和大力发展属于我国自主知识产权的原创技术。否则，我们将越跟踪越落后。在这一点，我们可以很好地借鉴韩国和我国台湾的经验。

3.2 具体政策的形成和落实

3.2.1 积极推进先进产业的发展

产业规划人员需要研究国内外产业形势，把握产业发展趋势，才能准确判断各种技术的发展前景，从而制定相应的发展规划。对于先进发展方向的技术，应该大力支持，特别是关系到新兴产业发展的关键技术，应该重点扶持，并以此为切入点，推动整个产业链的发展。为此我们必需做好以下几点：

(1)统计现有生产设备的实际库存量，做好即将淘汰设备淘汰前的准备工作，制订新发展规划；

(2)研究新生产线设备的分布情况，制定出不同的发展方向，先可抓大放小，从易到难；

(3)制定切实可行的扶持机制，最简单且行之有效的方法，就是用产品说话和市场说话。

3.2.2 高度重视不同领域和技术的交叉和融合

不同材料的交叉和融合产生新的材料；不同技术交叉和融合产生新的技术；不同领域的交叉和融合产生新的领域。我们国家在相关协会已经有不少分会和机构，技术领域已涉及电子电路、电子封装、表面安装、电子装联、电子材料、电子专用设备、电子焊接和电子电镀等。过去，同行业交流较多，但不同行业交流不够，今后应积极组织这种技术交流。

3.2.3 重视电子产业人才的培养

国家应把握目前电子产业发展的大好机遇，统筹计划、统一布局、集中投资和人才，尽快建设若干个关于信息电子产业的研究开发中心或重点实验室，使之成为我国信息电子创新技术的发源地和优秀人才的培养基地。

3.3 标准的制定及知识产权的维护

在新产业链形成的过程当中，新的产业标准(设计、制造等)和将被制定，大量专利必将申报。只有在现阶段对相关技术大量投入，抢占先机，才能在制定产业标准时获得一定话语权，以形成对我国电子制造业有利的产业标准；在专利成果方面打破国外垄断，核心技术不受国外制约。

对已申请的专利要做好知识产权的维护，这样不仅使原创者利益不受到损害，也能维护整个产业内一个公平的发展环境，进而鼓励、推动更多企业自主创新，形成技术创新的良性循环，推动整个产业的迅猛发展。

3.4 战术的谋划和扶持

3.4.1 先进产业的推动

在摩尔定律即将失效，3D封装正在兴起的背景下，继续推动企业成为技术创新的主体，鼓励企业加大研究开发投入。建立市场主导型的技术创新机制，实施企业技术创新工程。按照政府引导、市场化运作的方式，大力推进企业联合重组，培育若干大型企业集团，使其具有技术创新和自主开发能力，规模化生产能力，系统集成和综合服务能力。

对即将淘汰的SMT技术、设备要限制引进，转而大力支持本土3D产业，对从事3D封装技术的高新企业给予政策、资金上的优惠，鼓励其进行3D封装核心技术和设备的研发，争取在新一轮的产业链分工竞争中占有一席之地。

3.4.2 科研方面的扶持

对高校、科研院所的科研项目申请，应引导其向3D和系统集成方向发展，以顺应国际发展趋势，鼓励其与企业共同申报，以形成优势互补，互惠互利的局面。大力促进产学研联合，组建以资产为纽带的产学研紧密联合体。加大技术改造，注重对引进技术的消化与吸收，实现引进、消化、吸收、创新与自主开发的良性循环。不仅能加快研发成果向实际生产的转化，同时也能培养一批熟悉研发、生产流程的专业人才。

3.5 配套措施的完善

要使整个产业获得良好发展，还必须完善相关的配套措施。

3.5.1 硬件方面

建立良好投资环境，集中打造具有产业优势的工业园区；在3D封装发展过程中，新型材料、设备必然大量出现，要重视对这些新材料、新设备的前期研发，为新兴产业链的兴起做好技术准备。

3.5.2 软件方面

建立和完善多渠道融投资体制，多渠道筹措电子信息产业建设资金；建立风险投资机制；积极争取国家和省市资金支持，建立电子信息产业建设资金，集中投向。引进和完善风险投资模式和机制，制定鼓励电子信息产业发展的优惠政策，加大资金扶持力度，创建信息产业风险投资基金和专项发展资金。发展民营高科技企业，积极扶持民营企业成长，成为电子信息产业又一支生力军。

4 结论

总之，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，现有技术流程将被先进的设计、生产一体化所取代；以硅通孔技术(TSV)为代表的3D封装将是电子产业发展的必然趋势，现有大多数设备必将淘汰，新设备、新工艺大量出现，多条新兴产业链迅速形成。在此情况下，我们要从战略层面上对整个产业进行改革调整，顺应国际发展趋势，鼓励产业创新，才能在未来新兴产业竞争中达到国际先进水平。

[1]童志义.后摩尔时代的封装技术[J].电子工业专用设备，2010(6)：1-8.

[2]童志义.3D IC集成与硅通孔(TSV)互连[J].电子工业专用设备，2009（3）:27-34.

[3]胡志勇.满足高密度组装的SMT三维封装堆叠技术[J].表面安装技术，2009(10):58-69.

[4]郎鹏,高志方,牛艳红.3D封装与硅通孔工艺技术[J].电子工艺技术,2009,30(6):323-326.