行业事件
反潮流的TSV
来源：半导体行业观察
下一阶段的发展趋势与直觉相反：更大的TSV（宽度可达50μm，深度可达300μm）蚀刻到更厚的中介层中，可带来更好的电气性能、更稳定的电源传输、更佳的散热性能和更高的制造良率。
2.5D 和 3D 集成领域最重要的创新之一是 TSV（硅通孔）的引入（图 1）。TSV 是现代半导体封装的垂直通道——它是一种贯穿硅晶圆、芯片或中介层的电互连，能够实现芯片间的直接通信，并高效地在 3D 堆叠芯片的各层之间或 2.5D 中介层上的组件之间传输电源和信号。与传统的引线键合（其路径更长、电阻更大）不同，TSV 能够形成高密度垂直连接，从而降低信号延迟、提高带宽并增强整体系统性能。
用于高级封装的中介层需要根据特定的芯片封装和封装基板进行定制设计。从这个意义上讲，中介层很像裸电路板；它们提供了一个平台，完整的封装将在此组装。所有中介层的设计都旨在发挥三个重要作用：为异构集成组件中的半导体芯片提供安装表面、为了使半导体芯片之间能够形成连接、将整个堆叠结构重新连接到封装基板上
该结构包含一组小型过孔（称为硅通孔，或TSV）和小型焊盘，用于连接封装内的半导体芯片。中介层连接回封装基板，便于在组件之间以及与封装外部进行进一步布线。基板的底面包含一个焊球阵列（BGA封装），可以组装到PCB上的焊盘图案中。
在TSV区域和中介层顶层的微凸点之间是重分布层（RDL）。该层包含主要的水平界面连接，用于连接中介层顶层的元件芯片。RDL中的互连结构类似于HDI PCB中的盲孔/埋孔。
中介层通常由三种材料制成：硅、玻璃或有机衬底。中介层完全由代工厂制造（台积电是主要供应商），包括与封装衬底和半导体芯片键合的硅通孔 (TSV) 和水平互连。中介层可以设计成两种功能：作为有源器件或无源器件。
硅中介层的一个主要应用是将高带宽内存 (HBM) 连接到高速处理器（图 2）。每个 HBM 器件本身都是一个由 TSV 构建的 3D 堆叠结构，包含多个 DRAM 芯片和一个逻辑层。单个 HBM 的传输速率最高可达 256 GB/s。硅中介层是将数据流传输到处理器的最有效方式。多个 HBM 可以与 GPU 集成在同一个中介层上，从而实现 1TB/s 或更高的数据传输速率。
工艺的关键考虑因素是TSV对周围区域施加的机械和热应力。通孔的纵横比（特征深度与直径之比）越大，制造工艺对周围硅片产生的拉应力就越大，这会影响载流子迁移率，进而影响晶体管的开关速度。这就是工程师们所说的“禁入区”的原因，即必须没有任何有源电路的周围区域。然而，随着I/O数量的增加和TSV间距的缩小，所需的禁入区范围也在不断缩小。在某种程度上，芯片布局正在从系统层面（系统级协同优化）进行TSV布局优化，以便更有效地利用宝贵的硅片空间。工程师们也在探索TSV邻近效应的原因，这有助于最大限度地缩小该缓冲区的大小。
但是为了让更厚的中介层更平整，并且可以扩展到更大的尺寸，TSV 的纵横比必须更高，或者 TSV 的直径必须更大。实际上，纵横比已经接近当前制造技术的极限，无法保证良好的良率和合理的制造时间/成本。因此，TSV 的直径必须增大。更大直径的 TSV 的优势，除了支持更大的中介层尺寸外，还包括更高的功率传输和更低的高频损耗。
目前，传统TSV（直径通常为5-10μm，深度为50-100μm）正向下一代TSV（直径可达50μm，深度可达300μm）过渡。小型TSV非常适合低频、低功耗应用，例如移动通信和DRAM集成，但却难以满足人工智能和高性能计算（HPC）等应用对电流、散热和带宽的高要求。其较小的尺寸限制了其可处理的电流，导致电阻损耗增加，从而降低信号完整性，尤其是在高频工作条件下。此外，这些小型TSV的散热能力有限，对热敏元件构成重大挑战。
更大的TSV专为这些类型的环境而设计。更大TSV的优势包括：
- 更高的频率 – 随着行业向异构集成和多芯片架构发展，对芯片间更快传输的需求显著增加。更大的TSV具有更大的横截面积，可以支持更高的数据速率并实现信号的并行传输。
- 更高的功率传输 – 更大的通孔可以承载更大的电流，电阻更低，从而降低IR压降，并实现更快的芯片间通信。
- 增强的信号完整性 – 更宽的TSV可以降低电感，这对于5G等高频应用至关重要。
- 散热管理 – 由于TSV起到热管的作用，更大的通孔可以更有效地散热，保护堆叠芯片免受热应力的影响。
- 制造稳健性 – 更低的纵横比简化了深反应离子刻蚀和镀铜工艺，降低了缺陷率并提高了良率。
- 改进组装操作——更厚的中介层不易开裂，因此组装起来更加坚固耐用。
未来的中介层将集成更多功能和材料，例如CPU、GPU、内存、射频和光子器件的异构集成；用于对抗铜应力和电迁移的新材料；通过热通孔、均热板或微流控技术实现嵌入式冷却；以及成本缩放，使支持TSV的中介层在消费电子设备中具有成本效益。
从 5-10μm 直径的 TSVS 到 50μm 直径的 TSVS 的转变，代表着封装理念的根本性转变。通过采用更大、更坚固的通孔，硅中介层能够应对下一代工作负载在频率、功耗和散热方面的挑战。这种演进确保了摩尔定律的延续——不仅体现在晶体管尺寸的缩小上，更体现在更智能、更强大的封装技术上。
