硅通孔（TSV）技术是当前先进性最高的封装互连技术之一，基于TSV技术的三维（3D）封装能够实现芯片之间的高密度封装，能有效满足高功能芯片超薄、超小、多功能、高性能、低功耗及低成本的封装需求。本书针对TSV技术本身，介绍了TSV结构、性能与集成流程、TSV单元工艺、圆片级键合技术与应用、圆片减薄与拿持技术、再布线与微凸点技术；基于TSV的封装技术，介绍了2.5D TSV中介层封装技术、3D WLCSP技术与应用、3D集成电路集成工艺与应用、3D集成电路的散热与可靠性。

“集成电路系列丛书”主编序言 培根之土 润苗之泉 启智之钥 强国之基 王国维在其《蝶恋花》一词中写道：“最是人间留不住，朱颜辞镜花辞树”，这似乎是人世间不可挽回的自然规律。然而，人们还是通过各种手段，借助于各种媒介，留住了人们对时光的记忆，表达了人们对未来的希冀。 图书，尤其是纸版图书，是数量最多、使用最悠久的记录思想和知识的载体。品《诗经》，我们体验了青春萌动；阅《史记》，我们听到了战马嘶鸣；读《论语》，我们学习了哲理思辨；赏《唐诗》，我们领悟了人文风情。 尽管人们现在可以把律动的声像寄驻在胶片、磁带和芯片之中，为人们的感官带来海量信息，但是图书中的文字和图像依然以它特有的魅力，擘画着发展的总纲，记录着胜负的苍黄，展现着感性的豪放，挥洒着理性的张扬，凝聚着色彩的神韵，回荡着音符的铿锵，驰骋着心灵的激越，闪烁着智慧的光芒。 《辞海》中把书籍、期刊、画册、图片等出版物的总称定义为“图书”。通过林林总总的“图书”，我们知晓了电子管、晶体管、集成电路的发明，了解了集成电路科学技术、市场、应用的成长历程和发展规律。以这些知识为基础，自20世纪50年代起，我国集成电路技术和产业的开拓者踏上了筚路蓝缕的征途。进入21世纪以来，我国的集成电路产业进入了快速发展的轨道，在基础研究、设计、制造、封装、设备、材料等各个领域均有所建树，部分成果也在世界舞台上拥有一席之地。 为总结昨日经验，描绘今日景象，展望明日梦想，编撰“集成电路系列丛书”（以下简称“丛书”）的构想成为我国广大集成电路科学技术和产业工作者共同的夙愿。 2016年，“丛书”编委会成立，开始组织全国近500名作者为“丛书”的第一部著作《集成电路产业全书》（以下简称《全书》）撰稿。2018年9月12日，《全书》首发式在北京人民大会堂举行，《全书》正式进入读者的视野，受到教育界、科研界和产业界的热烈欢迎和一致好评。其后，《全书》英文版Handbook of Integrated Circuit Industry的编译工作启动，并决定由电子工业出版社和全球最大的科技图书出版机构之一——施普林格（Springer）合作出版发行。 受体量所限，《全书》对于集成电路的产品、生产、经济、市场等，采用了千余字“词条”描述方式，其优点是简洁易懂，便于查询和参考；其不足是因篇幅紧凑，不能对一个专业领域进行全方位和详尽的阐述。而“丛书”中的每一部专著则因不受体量影响，可针对某个专业领域进行深度与广度兼容的、图文并茂的论述。“丛书”与《全书》在满足不同读者需求方面，互补互通，相得益彰。 为更好地组织“丛书”的编撰工作，“丛书”编委会下设了12个分卷编委会，分别负责以下分卷： ☆ 集成电路系列丛书·集成电路发展史论和辩证法 ☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业经济学 ☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业管理 ☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业教育和人才培养 ☆ 集成电路系列丛书·集成电路发展前沿与基础研究 ☆ 集成电路系列丛书·集成电路产品、市场与投资 ☆ 集成电路系列丛书·集成电路设计 ☆ 集成电路系列丛书·集成电路制造 ☆ 集成电路系列丛书·集成电路封装测试 ☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业专用装备 ☆ 集成电路系列丛书·集成电路产业专用材料 ☆ 集成电路系列丛书·化合物半导体的研究与应用 2021年，在业界同仁的共同努力下，约有10部“丛书”专著陆续出版发行，献给中国共产党百年华诞。以此为开端，2021年以后，每年都会有纳入“丛书”的专著面世，不断为建设我国集成电路产业的大厦添砖加瓦。到2035年，我们的愿景是，这些新版或再版的专著数量能够达到近百部，成为百花齐放、姹紫嫣红的“丛书”。 在集成电路正在改变人类生产方式和生活方式的今天，集成电路已成为世界大国竞争的重要筹码，在中华民族实现复兴伟业的征途上，集成电路正在肩负着新的、艰巨的历史使命。我们相信，无论是作为“集成电路科学与工程”一级学科的教材，还是作为科研和产业一线工作者的参考书，“丛书”都将成为满足培养人才急需和加速产业建设的“及时雨”和“雪中炭”。 科学技术与产业的发展永无止境。当2049年中国实现第二个百年奋斗目标时，后来人可能在21世纪20年代书写的“丛书”中发现这样或那样的不足，但是，仍会在“丛书”著作的严谨字句中，看到一群为中华民族自立自强做出奉献的前辈们的清晰足迹，感触到他们在质朴立言里涌动的满腔热血，聆听到他们的圆梦之心始终跳动不息的声音。 书籍是学习知识的良师，是传播思想的工具，是积淀文化的载体，是人类进步和文明的重要标志。愿“丛书”永远成为培育我国集成电路科学技术生根的沃土，成为润泽我国集成电路产业发展的甘泉，成为启迪我国集成电路人才智慧的金钥，成为实现我国集成电路产业强国之梦的基因。 编撰“丛书”是浩繁卷帙的工程，观古书中成为典籍者，成书时间跨度逾十年者有之，涉猎门类逾百种者亦不乏其例： 《史记》，西汉司马迁著，130卷，526500余字，历经14年告成； 《资治通鉴》，北宋司马光著，294卷，历时19年竣稿； 《四库全书》，36300册，约8亿字，清360位学者共同编纂，3826人抄写，耗时13年编就； 《梦溪笔谈》，北宋沈括著，30卷，17目，凡609条，涉及天文、数学、物理、化学、生物等各个门类学科，被评价为“中国科学史上的里程碑”； 《天工开物》，明宋应星著，世界上第一部关于农业和手工业生产的综合性著作，3卷18篇，123幅插图，被誉为“中国17世纪的工艺百科全书”。 这些典籍中无不蕴含着“学贵心悟”的学术精神和“人贵执着”的治学态度。这正是我们这一代人在编撰“丛书”过程中应当永续继承和发扬光大的优秀传统。希望“丛书”全体编委以前人著书之风范为准绳，持之以恒地把“丛书”的编撰工作做到尽善尽美，为丰富我国集成电路的知识宝库不断奉献自己的力量；让学习、求真、探索、创新的“丛书”之风一代一代地传承下去。 王阳元 2021年7月1日于北京燕园 前言 过去20年，我国封装测试产业实现了跨越式发展，从传统的双列直插封装（DIP）、小外形封装（SOP）到四面无引脚扁平（QFN）封装、球栅阵列（BGA）封装、倒装芯片（Flip-Chip），再到圆片级封装（WLP）、三维圆片级封装（3D WLCSP），整体技术已经接近国际先进水平，在某些技术领域已经达到世界领先水平。2010年以来，随着新兴智能终端产品多功能化需求日益迫切，先进封装技术成为集成电路发展的新引擎。新型封装技术层出不穷，技术创新竞争日趋激烈。其中，硅通孔（TSV）技术成为高密度三维集成的关键核心技术。通过多年的研发和发展，硅通孔技术在三维芯片堆叠、三维圆片级封装和基于2.5D中介转接层的多芯片系统集成方面得到了广泛应用。随着产品性能需求的不断提升，硅通孔技术在未来将发挥更加重要的作用。 本人有幸参与了国内硅通孔技术的研发和产业化：2010年从新加坡回国后，加入中国科学院微电子研究所，选择硅通孔技术作为研究方向，在微电子研究所叶甜春所长、室主任万里兮研究员支持下组建研发团队，开展科技攻关，推动产业技术进步；2011年，在江苏物联网研究发展中心建立系统级封装实验室，承担硅通孔技术研发的国家02重大专项课题任务研究；2012年9月，成立华进半导体封装先导技术研发中心有限公司，进一步开展硅通孔产业技术应用研发；2014年3月，加入天水华天科技股份有限公司，开始圆片级后通孔互连技术研发，实现了其在图像传感器、指纹传感器上的量产应用；2019年起，任职厦门大学电子科学与技术学院，开展先进封装技术基础研究、人才培养和产业实践，探索产教融合发展新模式。 自2016年9月10日“集成电路系列丛书·集成电路封装测试”编委会首次会议确定由我来主编《硅通孔三维封装技术》至今，4年多的时间过去了。这期间，我和诸位合作者进行了多次交流、沟通，对书稿进行了多次修订。本书主要作者及其分工如下：于大全、王腾编写了第1章，宋崇申、于大全编写了第 2、3章，赫然编写了第4章，姜峰、于大全编写了第5章，姚明军编写了第6章，于大全、薛恺编写了第7章，于大全、马书英编写了第8章，姚明军、钟毅编写了第9章，王珺编写了第10章。本书初稿完成后，提交给“集成电路系列丛书·集成电路封装测试”编委会，由编委会组织上海交通大学李明教授、北京工业大学秦飞教授、长电科技原总裁赖志明先生审阅，并在审稿完成后依据审稿意见完成了修订。 感谢中国半导体行业协会封装分会荣誉理事长毕克允先生、新潮集团董事长王新潮先生、华天电子集团董事长肖胜利先生给予的指导和大力支持，感谢“集成电路系列丛书·集成电路封装测试”编委会沈阳先生、周健先生在本书撰写过程中给予的热忱帮助。在本书撰写过程中，厦门大学博士研究生李威、陈作桓、喻甜和硕士研究生胡芝慧、周庆、马浩哲等，北京工业大学硕士研究生赵瑾，在编辑、排版、文献调研等方面给予了大力支持和帮助，在此向他们表示衷心感谢。 在本书完成之际，由衷感谢过去数年间一起开展硅通孔技术研发的合作者、同事和学生，以及在技术研发过程中给予大力支持的朋友们，感谢华天科技、北方华创、上海微电子装备、沈阳拓荆、沈阳芯源、上海安集、上海盛美、上海新阳、中微半导体、厦门云天半导体等公司给予的大力支持和帮助。 由于硅通孔三维封装技术涉及面宽、文献众多，加之编写人员的理解水平和知识面有限，书中难免存在错误和疏漏之处，恳请广大读者提出宝贵意见，以便我们在修订时改正。 谨以此书向为中国集成电路先进封装技术和产业发展努力拼搏的奋斗者致敬！ 于大全 2021年2月

第1章 三维封装发展概述 1.1 封装技术发展 1.2 拓展摩尔定律——3D封装 1.2.1 3D封装驱动力 1.2.2 3D TSV封装优势 1.3 3D封装技术发展趋势 1.4 本书章节概览 第2章 TSV结构、性能与集成流程 2.1 TSV定义和基本结构 2.2 TSV工艺流程概述 2.3 Via-middle技术 2.4 Via-last技术 2.5 其他TSV技术路线 2.6 本章小结 第3章 TSV单元工艺 3.1 TSV刻蚀技术 3.2 TSV侧壁绝缘技术 3.3 TSV黏附层、扩散阻挡层及种子层沉积技术 3.4 TSV电镀填充技术 3.5 TSV平坦化技术 3.6 TSV背面露铜技术 3.7 本章小结 第4章 圆片级键合技术与应用 4.1 圆片级键合与3D封装概述 4.1.1 圆片-圆片键合与芯片-圆片键合 4.1.2 直接键合与间接键合 4.1.3 正面-正面键合与正面-背面键合 4.1.4 圆片级键合与多片/单片3D集成 4.2 介质键合技术 4.2.1 介质键合技术简介 4.2.2 氧化硅亲水性键合 4.2.3 聚合物胶热压键合 4.3 金属圆片键合技术 4.3.1 金属直接键合技术简介 4.3.2 铜-铜热压键合 4.3.3 表面活化键合 4.4 金属/介质混合键合技术 4.4.1 混合键合技术简介 4.4.2 铜/氧化硅混合键合 4.4.3 铜/聚合物胶混合键合 4.4.4 微凸点/聚合物胶混合键合 4.5 本章小结 第5章 圆片减薄与拿持技术 5.1 圆片减薄技术 5.1.1 圆片减薄工艺 5.1.2 圆片切边工艺 5.1.3 中心区域减薄无载体薄圆片拿持技术 5.2 圆片临时键合技术 5.2.1 临时键合胶的选择 5.2.2 载片的选择 5.2.3 临时键合质量的评价标准 5.3 圆片拆键合技术 5.3.1 热滑移方法 5.3.2 紫外光剥离方法 5.3.3 湿法溶解方法 5.3.4 叠层胶体纵向分离方法 5.3.5 区域键合方法 5.3.6 激光拆键合方法 5.4 临时键合材料 5.4.1 热滑移拆键合材料 5.4.2 机械拆临时键合材料 5.4.3 紫外激光拆键合材料 5.4.4 红外激光拆键合材料 5.5 本章小结 第6章 再布线与微凸点技术 6.1 再布线技术 6.1.1 圆片级扇入型封装再布线技术 6.1.2 圆片级扇出型封装再布线技术 6.2 钎料凸点技术 6.2.1 钎料凸点制备 6.2.2 基于钎料凸点的2.5D/3D封装 6.3 铜柱凸点技术 6.3.1 铜柱凸点简介 6.3.2 铜柱凸点互连机制及应用 6.4 铜凸点技术 6.4.1 铜凸点简介 6.4.2 铜凸点互连机制及应用 6.5 本章小结 第7章 2.5D TSV中介层封装技术 7.1 TSV中介层的结构与特点 7.2 TSV中介层技术发展与应用 7.3 TSV中介层电性能分析 7.3.1 TSV的传输特性研究 7.3.2 中介层互连线传输特性分析 7.3.3 TSV中介层信号完整性仿真分析 7.3.4 TSV中介层电源完整性仿真分析 7.3.5 TSV中介层版图设计 7.4 2.5 D TSV中介层封装热设计与仿真 7.4.1 Z方向等效导热系数 7.4.2 X-Y方向等效导热系数 7.4.3 中介层对封装热阻的影响 7.5 2.5D TSV中介层封装研究实例 7.5.1 TSV中介层电路结构设计 7.5.2 TSV中介层工艺流程 7.5.3 有机基板设计与仿真 7.5.4 中介层工艺研究 7.6 本章小结 第8章 3D WLCSP技术与应用 8.1 基于TSV和圆片键合的3D WLCSP技术 8.1.1 图像传感器圆片级封装技术 8.1.2 车载图像传感器产品圆片级封装技术 8.1.3 垂直TSV技术图像传感器圆片级封装工艺 8.2 基于Via-last型TSV的埋入硅基3D扇出型封装技术 8.2.1 封装工艺流程 8.2.2 封装工艺研究 8.2.3 背面制造工艺流程 8.3 3D圆片级扇出型封装技术 8.4 本章小结 第9章 3D集成电路集成工艺与应用 9.1 3D集成电路集成方法 9.1.1 C2C堆叠 9.1.2 C2W堆叠 9.1.3 W2W堆叠 9.2 存储器3D集成 9.2.1 三星动态随机存取存储器 9.2.2 美光混合立方存储器 9.2.3 海力士高带宽内存 9.3 异质芯片3D集成 9.3.1 异质集成射频器件 9.3.2 集成光电子器件 9.4 无凸点3D集成电路集成 9.5 3D集成模块化整合 9.6 本章小结 第10章 3D集成电路的散热与可靠性 10.1 3D集成电路中的热管理 10.1.1 热阻分析法 10.1.2 有限元分析法 10.2 3D集成电路散热影响因素与改进 10.3 TSV电学可靠性 10.4 TSV噪声耦合 10.5 TSV的热机械可靠性 10.5.1 TSV中的热机械失效 10.5.2 TSV热机械可靠性影响因素 10.6 3D集成电路中的电迁移 10.6.1 电迁移现象 10.6.2 电迁移的基本理论 10.6.3 温度和应力对电迁移的影响 10.6.4 电迁移失效模型 10.6.5 影响电迁移的因素和降低电迁移的措施 10.7 3D集成电路中的热力学可靠性 10.7.1 封装结构对可靠性的影响 10.7.2 3D集成电路中的失效问题 10.7.3 3D集成电路热力学分析与测试 10.8 3D封装中芯片封装交互作用 10.8.1 封装形式对芯片失效的影响 10.8.2 芯片和封装交互影响问题 10.8.3 交互影响分析和设计 10.9 本章小结 参考文献