系統(tǒng)工程師在開發(fā)復(fù)雜的電子產(chǎn)品，例如傳感器和傳感器接口應(yīng)用時(shí)，他們所面臨的重大挑戰(zhàn)為更小的外形尺寸、杰出的功能、更佳的效能及更低的物料列表成本(BoM)。 設(shè)計(jì)者可以采用具有較高整合密度的較小制程節(jié)點(diǎn)來縮減晶方尺寸，同時(shí)也能使用先進(jìn)的封裝技術(shù)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化。
3DIC成為縮小傳感器IC新解方
對(duì)于更高系統(tǒng)整合度的需求持續(xù)增加，這不只促使傳統(tǒng)的組裝服務(wù)供貨商，也推動(dòng)半導(dǎo)體公司開發(fā)更創(chuàng)新和更先進(jìn)的封裝技術(shù)。 最具前景且最具挑戰(zhàn)性的技術(shù)之一就是采用硅通孔(TSV)的三維積體(3DIC)。 3DIC技術(shù)現(xiàn)在已被廣泛用于數(shù)字IC(例如，內(nèi)存IC、影像傳感器和其他組件的堆棧)中，其設(shè)計(jì)和制造方法已經(jīng)在數(shù)字世界中獲得成功證明。 接下來，設(shè)計(jì)者要如何將3DIC技術(shù)成功導(dǎo)入以模擬和混合訊號(hào)為主的的傳感器IC中？
在今日，走在前面的模擬和混合訊號(hào)IC開發(fā)商已開始意識(shí)到采用模擬3DIC設(shè)計(jì)的確能帶來實(shí)質(zhì)好處。 智能傳感器和傳感器接口產(chǎn)品鎖定工業(yè)4.0、智能城市或物聯(lián)網(wǎng)(IoT)中的各種應(yīng)用。 在各種芯片堆棧技術(shù)中，TSV和背面重新布局層(BRDL)可用來替代傳統(tǒng)金線接合，此技術(shù)的用處極大。
3D積體技術(shù)，特別是來自領(lǐng)導(dǎo)晶圓代工業(yè)者的特殊模擬TSV技術(shù)，在結(jié)合正面或背面重新布局層(RDL)后，由于互連更短且能實(shí)現(xiàn)更高的整合度，因此能以更小的占板面積提供更多功能。 特別是小尺寸的TSV封裝技術(shù)(總高度在0.32mm范圍內(nèi))能解決智能手表或智能眼鏡等穿戴式裝置的的小尺寸需求。
在不同的芯片或技術(shù)組合中，TSV技術(shù)還能提供更高水平的靈活度，例如采用45奈米制程的數(shù)字芯片中的芯片至芯片堆棧，以及在模擬晶圓(例如180nm)中，微機(jī)電(MEMS)組件或光傳感器和光電二極管數(shù)組的堆棧，這只是其中的幾個(gè)例子。
模擬3DIC技術(shù)通常是透過建造芯片正面到IC背面的電氣連接來實(shí)現(xiàn)傳感器應(yīng)用。 在許多傳感器應(yīng)用，例如光學(xué)、化學(xué)、氣體或壓力傳感器中，感測(cè)區(qū)域是位在CMOS側(cè)(晶圓的頂端)。 芯片和導(dǎo)線架之間最常用的連接是打線接合(Wire bonding)(圖1)。 無論是使用塑料封裝，或是將裸片直接接合在印刷電路(PCB)或軟性電路板上，對(duì)于某些會(huì)將感測(cè)區(qū)域暴露出來的應(yīng)用而言，打線接合并非理想的解決方案。 采用專業(yè)晶圓代工業(yè)者的專有TSV技術(shù)，可以利用TSV、背面RDL和芯片級(jí)封裝(WLCSP)(圖2)來替代打線。
圖1 采用標(biāo)準(zhǔn)打線接合的傳感器芯片。
圖2 采用TSV背面連接的傳感器芯片。
打造新3D應(yīng)用/替換晶圓接墊新一代硅通孔技術(shù)妙用多
類似于半導(dǎo)體技術(shù)，新的制程技術(shù)是透過使用更小的幾何形狀和設(shè)計(jì)規(guī)則(摩爾定律)提供更高的效能和更高的積體密度，下一世代的TSV技術(shù)將優(yōu)于當(dāng)前可用的3DIC技術(shù)。 一些專業(yè)晶圓代工業(yè)者正在開發(fā)下一世代TSV技術(shù)，其直徑(約40μm)將大幅縮小，因此能提供更小的間距和更高的密度，同時(shí)提供相同或甚至更好的模擬效能。 這種下一代TSV技術(shù)是新3D應(yīng)用的基礎(chǔ)，晶圓代工業(yè)者正在開發(fā)提供全新服務(wù)，像是所謂的「第三方晶圓上的接墊置換(Pad Replacement on 3rd Party Wafer)」或「主動(dòng)3D中介層(Active 3D Interposer)」等。
另外，直徑和間距更為縮減的下一世代TSV技術(shù)，將能夠透過結(jié)合背面RDL和晶圓級(jí)芯片尺寸封裝(WLCSP的)TSV，也就是所謂的3D-WLCSP來替換任何已經(jīng)處理和完成的晶圓的接墊(Pad)。 即使在制造過程完成后，客戶也能夠靈活地決定產(chǎn)品是否應(yīng)在正面進(jìn)行打線接合，或者在背面使用WLCSP技術(shù)進(jìn)行凸塊封裝。 這種新技術(shù)概念允許在任何芯片，甚至是在第三方芯片上處理TSV，做為后處理步驟之一(后鉆孔概念)。 在TSV開發(fā)方式中，其直徑和最小間距能極佳地匹配第三方芯片所采用制程的接墊需求(圖3)。
圖3 打線接合將被TSV與WLCSP(= 3D-WLCSP)的組合所取代。
硅中介層為3DIC創(chuàng)新技術(shù)
3DIC技術(shù)的另一個(gè)變化和極為創(chuàng)新的發(fā)展，是硅中介層架構(gòu)(Silicon interposer architecture)。 所謂的被動(dòng)3D硅中介層是用來產(chǎn)生一個(gè)從芯片的頂端到底部的簡(jiǎn)單電氣連接。 所謂的主動(dòng)3D硅中介層能支持實(shí)現(xiàn)完整CMOS設(shè)計(jì)所需制程技術(shù)的所有被動(dòng)和主動(dòng)組件。
晶圓代工領(lǐng)導(dǎo)廠商提供3D中介層技術(shù)，這些技術(shù)通常是基于0.18μm模擬專業(yè)制程，具有各種制程模塊，例如金屬絕緣層金屬電容(MIM cap)、高阻值多晶硅電阻(Poly resistor)、最多六個(gè)金屬層、厚頂金屬電感(Thick top metal)等，還有更多。 主動(dòng)中介層具有正面和背面接墊，前側(cè)接墊可用于組裝/堆棧任何種類的晶方，例如傳感器或MEMS組件，背面接墊則主要用于電路板層級(jí)的整合(圖4)。 提供各種尺寸閘球和間距的WLCSP技術(shù)是由晶圓廠提供的額外服務(wù)。 另一個(gè)選擇是，背面的接墊可以用于將更遠(yuǎn)的芯片附著于底部。
設(shè)計(jì)套件整合加速開發(fā)時(shí)程
領(lǐng)先的模擬晶圓代工業(yè)者確實(shí)為IC開發(fā)提供了設(shè)計(jì)環(huán)境。 理想而言，一些極少的產(chǎn)業(yè)基準(zhǔn)制程開發(fā)工具包(PDK)確實(shí)能提供創(chuàng)建復(fù)雜的混合訊號(hào)設(shè)計(jì)所需的全部建構(gòu)區(qū)塊，而這些設(shè)計(jì)是基于專業(yè)晶圓代工業(yè)者的先進(jìn)晶圓制程技術(shù)，并且適用于所有主要的先進(jìn)CAD環(huán)境。
透過些微的修改，已經(jīng)建立了3D積體參考設(shè)計(jì)流程，這讓設(shè)計(jì)者得以對(duì)3D積體IC系統(tǒng)進(jìn)行全部功能和物理的驗(yàn)證。 PDK有助于針對(duì)裸片尺寸、效能、良率和更短的上市時(shí)間實(shí)現(xiàn)更有效的設(shè)計(jì)，并為產(chǎn)品開發(fā)人員提供一個(gè)「首次就正確」設(shè)計(jì)的可靠途徑。
改善尺寸/降低物料成本 3DIC技術(shù)發(fā)展?jié)摿?/p>
3DIC技術(shù)廣泛用于內(nèi)存IC、影像傳感器及其他組件的堆棧，并且已經(jīng)在數(shù)字世界成功獲得證明。 在模擬和混合訊號(hào)主導(dǎo)的應(yīng)用中，為客戶提供先進(jìn)的3DIC技術(shù)，這是晶圓代工業(yè)者所面臨的主要挑戰(zhàn)。
藉由縮小TSV直徑、減少TSV間距，并與晶圓級(jí)芯片尺寸技術(shù)結(jié)合，3D系統(tǒng)架構(gòu)得以能夠取代傳統(tǒng)2D系統(tǒng)級(jí)封裝解決方案。 3DIC概念，例如接墊替代技術(shù)或主動(dòng)中介層將大幅改善系統(tǒng)的外形尺寸、提高效能，并有助降低物料列表成本，這是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中所有行動(dòng)設(shè)備、穿戴式裝置或智能傳感器裝置的關(guān)鍵所在。