基于互连层的2.3DIC集成

本文主要讲述基于互连层的2.3DIC集成。

基本结构

图1为高密度有机混合基板上芯粒异质集成的俯视图和截面图。它由4个主要部分组成:①含微凸点的芯片;②精细金属L/S RDL基板或有机转接板(约37um厚);③互连层(约60um厚);④HDI印制电路板(PCB)(约1mm厚)，如图2所示。

测试芯片

使用的测试芯片如图3所示。可以看到，大芯片(芯片1)的尺寸为10mm×10mm×150um，其上以菊花链形式排布3760个面阵列焊盘，节距为90um，铜焊盘的尺寸为50um×50um。小芯片(芯片2A和2B)的尺寸为7mm×5mm×260um，以菊花链形式排布1512个面阵列焊盘，节距为60um，铜焊盘尺寸为44um×44um。对于所有芯片，Ti/Cu (0.1um/0.2um)UBM焊盘直径为35um，钝化层(PI2)开窗直径为20um，铜柱凸点直径为35um，高度为37um，SnAg焊料帽高度为15um，阻挡层镍高度为3um。

精细金属线宽/线距RDL转接板

RDL基板中有三个RDL，每层RDL由一个金属层(ML)和一个介质层(DL)组成。图4展示了RDLx、MLx、DLxy、Vxy和L/S/H的定义和数值。可以看到，ML1的L/S/H为2um/2um/2.5um，ML2 的 L/S/H为5um/5um/3.5um。ML3是一个直径为300um、厚度为5um的接触焊盘。DL01、DL12和DL23的厚度分别为7.5um、6.5um和5um。图5a展示了制作RDL基板的临时支撑面板。可以看到，面板尺寸为515mm×510mm×1.1mm，是热膨胀系数(CTE)为8.5×10⁻⁶/°C的玻璃面板。面板被分成18个条带，每个条带(132mm×77mm)有8个(20mm×20mm)RDL基板。因此，一次曝光可以制作用于432颗芯片的144个异质集成封装的RDL基板。图5b、c展示了一个单独的混合基板的正面和背面。正面有2×1512+3760=6784个焊盘(见图5b)，用于将芯片与精细金属L/S RDL基板进行键合。背面有2780个铜焊盘(直径为300um),节距为350um(见图5c)。这些焊盘用于互连层之间的连接。

制作精细金属L/S RDL基板的关键工艺步骤如图6所示。首先将可剥离胶膜(牺牲层)采用狭缝式涂布在临时玻璃支撑片(515mm×550mm)上，然后采用PVD沉积一层Ti/Cu种子层，之后进行涂覆光刻胶、LDI和显影工艺，再用ECD镀铜，最后剥离光刻胶并刻蚀Ti/Cu层，就得到RDL3的金属层(ML3或焊盘)。接下来继续用狭缝式涂布PI和LDI工艺制作RDL3的介质层DL23。然后溅射Ti/Cu种子层、涂覆光刻胶、LDI、显影、ECD镀铜，再剥离光刻胶、刻蚀Ti/Cu种子层，得到RDL2的金属层ML2。重复以上步骤得到RDL1的金属层(ML1),RDL2、RDL1的介质层DL12、DL01。再次溅射Ti/Cu、涂覆光刻胶、LDI、显影、ECD镀铜，继续剥离光刻胶、刻蚀Ti/Cu得到芯片的键合焊盘(引线)。图7展示了144个三层(20mm×20mm)RDL基板。

图8和图9分别展示了(L/S=2um/2um)RDL基板顶面放大500倍和1000倍的光学显微图像(optical microscope，OM)以及典型的截面图。图10展示了RDL基板截面的典型SEM图像。可以看到:①对于ML1，线宽(L)为1.91um、1.98um、1.91um和1.78um,接近目标值(2um),线距(S)为2.31um、2.37um和2.37um，相对接近目标值(2um)，线高(H)为3.1um 和3.1um，接近目标值(2.5um);②对于ML2,L为7.92um 和7.72um，与目标值(5um)相差较大，S为2.83um和2.84um，与目标值(5um)相差较大，H为5.61um，与目标值(3.5um)相差较大;③对于ML3，H为8.31um，也与目标值(5um)相差较大。因此还有改进的空间，例如更好地估算光刻胶、LDI、ECD铜、铜刻蚀等环节的补偿量。

互连层

图11展示了互连层。首先，在半固化片(prepreg，PP)的两侧层压聚酯纤维(polyester，PET)，通过激光钻孔形成通孔并将导电胶印刷填充，随后剥离PET。互连层的导电胶和PP都处于半固化(β-stage)状态。

高密度互连(HDI)印制电路板(PCB)

图2和表4.5所示的厚度为975um的HDI PCB共8层，采用传统工艺制备而成。

混合转接板的最终组装

首先，使用粘结剂将制作好的RDL基板与玻璃支撑片连接到有机面板上，然后将玻璃支撑片解键合，如图12所示。这三层基板的关键最终组装工艺步骤(见图13)是通过热压键合实现的。在这三层面板基板的四个边缘上使用了十多个销钉来实现其对准和正确定位。在热压键合(层压)后，互连层的PP和导电胶完全固化(C-stage)，销钉被移除。然后，在混合基板的底部进行干膜层压，并解键合有机面板。接下来进行铜箔刻蚀、干膜剥离、粘结剂等离子体刻蚀和表面处理。

最终组装

在混合基板准备好之后，可以进行芯片与混合基板的键合和底部填充。图14展示了在混合基板上进行的3颗芯片异质集成的典型示例。