3D封装TSV技术仍面临三个难题

高通(Qualcomm)先进工程部资深总监Matt Nowak日前指出，在使用高密度的硅穿孔(TSV)来实现芯片堆叠的量产以前，这项技术还必须再降低成本才能走入市场。他同时指出，业界对该技术价格和商业模式的争论，将成为这项技术未来发展的阻碍。

“如果我们无法解决价格问题，那么TSV的发展道路将更加漫长，”Nowak说。他同时指出，在价格与成本之间仍然存在的极大障碍，加上新技术的不确定性所隐含的风险，以及实际的量产需求，形成了三个TSV技术所面临的难题。

部份业界人士认为，到2014年，智能手机用的移动应用处理器可能会采用TSV技术，成为率先应用TSV量产的产品。JEDEC正在拟订一个支持TSV的Wide I/O存储器介面，其目标是成为下一代采用层叠封装(PoP)的低功耗DDR3链接的继任技术。

“可提供12.8GB/s的LPDDR3主要针对下一代层叠封装元件应用，但Wide I/O也具有其市场潜力，”Nowak说，他同时负责高通的TSV技术部份。“技术上来说，Wide I/O可自2014年起进入应用，然而，价格和商业模式仍将是该技术发展的阻碍。”

TSV技术承诺将提升性能，同时也将降低功耗及缩小元件尺寸，以因应包括移动处理器在内的各种应用需求。

TSV的致命弱点仍然是它的成本，Nowak说。“Wide I/O DRAM的价格较现有的PoP配置高出许多，而PoP也不断改良，甚至未来有可能设法再开发出一个新世代的产品，”他表示。

Nowak指出，一个名为EMC-3D的业界组织最近表示，以目前用于量产的工具模型为基础来推估，TSV将使每片晶圆增加约120美元的成本。

目前该技术仍然缺乏明确的商业模式，而且定价问题也颇为复杂，Nowak说。例如，当晶圆厂制作完成，以及在完成封装后，哪个环节该为良率负责？

“一些公司可以扮演整合者的角色，但未来整个商业模式可能会有稍许改变，”他同时指出，目前业界已经初步形成了一些TSV供应链的伙伴关系。

动机和进展

高通已经设计出一款28nm TSV元件的原型。“我们针对这项技术进行了大量的开发工作，”Nowak说。

更广泛的说，TSV可协助半导体产业延续其每年降低30%晶体管成本的传统。Nowak也表示，在不使用TSV技术的情况下，由于超紫外光(EUV)延迟而不断上升的光刻成本，也对半导体产业维持光刻和进展的步伐提出严峻挑战。

好消息是工程师们在解决TSV堆叠所面临的挑战方面时有进展。“虽然挑战仍然很多，但至少目前我们已经建立了一些基础和所需的专有知识，”他表示。

他同时指出，台积电(TSMC)今年度在VLSI Symposium上报告已建构出一种更好的TSV介电质衬底(dielectric liner)。工程师展示了高度深宽比(aspect ratios)为10:1的试制过孔，并减轻了外部铜材料挤压过孔的问题。

Nowak还引用了一些背面晶圆加工、薄化晶圆的临时托盘开发情况，并展示了有时用于取代过孔的连接微凸块。EDA供应商也在架构工具和2D建构工具方面取得了进展。

“你可以设计一个设备来使用这些工具，”他说。

然而，目前这些工具仍然缺乏有关机械应力、封装和芯片水准的交换数据标准。业界仍需为在TSV应用中“大幅减少”的静电放电水平容差定义标准，他说。

另外，业界也正在开发测试程序。“目前仍不清楚在量产时是否会使用到微探针(micro-probing)”他指出，重点是要削减成本，但“我们仍在增加测试步骤。”