什么原因會(huì)影響TSV的可靠性呢？

就像PCB中的高縱橫比通孔和小直徑通孔一樣，半導(dǎo)體封裝中的3D互連也面臨著與3D晶片堆棧的熱力學(xué)行為相關(guān)的可靠性挑戰(zhàn)。同樣的挑戰(zhàn)也出現(xiàn)在用于2.5和3D封裝的硅中間層的3D互連中。具有諷刺意味的是，這些可靠性挑戰(zhàn)最初是在圍繞半導(dǎo)體的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)中觀察到的，現(xiàn)在PCB行業(yè)正在處理與電子組裝規(guī)模較小相同的挑戰(zhàn)。

目前的垂直互連技術(shù)由硅通孔組成，其中銅互連用于在中間插口或堆疊小片中的電觸點(diǎn)之間路由垂直連接。隨著越來(lái)越多的設(shè)計(jì)以更高的功率運(yùn)行，并且在垂直堆疊中包含更多的骰子，3D集成封裝的熱機(jī)械可靠性成為系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)中需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題。

#1

TSV可靠性失效機(jī)制

TSV的可靠性研究已經(jīng)進(jìn)行了多年，并提出了許多提高TSV可靠性的解決方案。確保任何制造結(jié)構(gòu)的可靠性需要了解主要失效機(jī)制，在TSV中可以觀察到的兩種主要失效機(jī)制是：

CTE失配引起的應(yīng)力

TSV電遷移失敗

這些失效機(jī)制可以在用于2.5D/3D封裝的中間體的TSV中觀察到，也可以在用于3D堆疊小芯片的TSV中觀察到。

#2

應(yīng)力導(dǎo)致開(kāi)裂

應(yīng)力誘發(fā)的TSV結(jié)構(gòu)失效主要是由于硅(2-3ppm/°C)和銅(16-17ppm/°C)之間的CTE不匹配。與PCB中使用的較大過(guò)孔和HDI PCB中使用的微過(guò)孔一樣，TSV各部分的應(yīng)力集中將導(dǎo)致不同類(lèi)型的機(jī)械誘發(fā)故障。此外，熱循環(huán)會(huì)導(dǎo)致TSV結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)疲勞。

如果我們檢查T(mén)SV結(jié)構(gòu)的橫截面，它看起來(lái)非常類(lèi)似于HDI PCB中的盲通結(jié)構(gòu)。較大的熱失配會(huì)在TSV的上下表面產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致銅斷裂、擴(kuò)散和污染等多種影響。

掃描電鏡圖像顯示TSV在微凸點(diǎn)頂部的橫截面

(來(lái)源:弗勞恩霍夫電子納米系統(tǒng)研究所)

在這種類(lèi)型的結(jié)構(gòu)中可能出現(xiàn)的一些問(wèn)題包括：

將銅泵入后端管線(BEOL)區(qū)域或再分配層(RDL)

銅沿銅-半導(dǎo)體界面從種子層剝離

退火效應(yīng)(銅形態(tài)的變化)由于反復(fù)的熱循環(huán)和膨脹/收縮

銅在長(zhǎng)時(shí)間暴露于高溫后從結(jié)構(gòu)中擴(kuò)散出去

形成脆性金屬間化合物，更容易斷裂

#3

TSV中的電遷移

電遷移是長(zhǎng)期可靠性的另一個(gè)驅(qū)動(dòng)因素，當(dāng)TSV結(jié)構(gòu)開(kāi)始出現(xiàn)裂紋時(shí)，電遷移會(huì)加速機(jī)械失效。TSV中的電遷移發(fā)生的機(jī)制與集成電路中的軌道相同：金屬在電流影響下的擴(kuò)散。中間層和3D堆疊小芯片中使用的TSV必須通過(guò)堆疊攜帶一些電流，為封裝中的組件提供電源和信號(hào).

較小的TSV通常用于3D堆疊芯片，由于尺寸較小，在給定電壓水平下通常攜帶更大的電流密度。根據(jù)布萊克方程，這意味著對(duì)于傳播信號(hào)中包含的給定功率水平，它們更有可能經(jīng)歷電遷移失敗。當(dāng)我們觀察用于具有HBM接口的DRAM 3D堆疊的典型TSV的橫截面時(shí)，可以確定更容易發(fā)生電遷移的位置。

（用于DRAM堆棧的TSV）

一旦制造完成，TSV通常會(huì)留下輕微的錐度，其中結(jié)構(gòu)底部的通孔更薄。較薄的區(qū)域由于其截面積較小，因此電流密度較大，因此電遷移更有可能首先發(fā)生在那里。結(jié)果會(huì)形成空洞，最終導(dǎo)致開(kāi)路。一旦空洞開(kāi)始形成，空洞也會(huì)成為應(yīng)力集中的區(qū)域，并可能發(fā)生機(jī)械斷裂。

#4

工藝優(yōu)化有助于提高可靠性

在TSV中，電遷移和機(jī)械應(yīng)力之間存在重要的相互作用，這需要工藝優(yōu)化以確保這些問(wèn)題得到解決。具有更均勻輪廓的TSV可以防止應(yīng)力集中，使用阻擋層來(lái)防止電遷移，使用高熱退火和拋光來(lái)防止泵送，以及保形襯里沉積工藝可以幫助防止TSV中的銅斷裂，污染和擴(kuò)散。 接下來(lái)，給各位推薦一個(gè)大型行業(yè)技術(shù)交流論壇。

審核編輯：劉清