一文看懂TSV技術(shù)

前言

從HBM存儲(chǔ)器到3D NAND芯片，再到CoWoS，硬件市場(chǎng)上有許多芯片是用英文稱為TSV構(gòu)建的，TSV是首字母縮寫，TSV（Through Silicon Via）中文為硅通孔技術(shù)。它是通過(guò)在芯片與芯片之間、晶圓和晶圓之間制作垂直導(dǎo)通；TSV技術(shù)通過(guò)銅、鎢、多晶硅等導(dǎo)電物質(zhì)的填充，實(shí)現(xiàn)硅通孔的垂直電氣互聯(lián)，這項(xiàng)技術(shù)是目前唯一的垂直電互聯(lián)技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)3D先進(jìn)封裝的關(guān)鍵技術(shù)之一。在本文中，我們將告訴您它們是什么，它們?nèi)绾喂ぷ饕约八鼈兊挠猛尽?/p>

在2000年的第一個(gè)月，Santa Clara University的Sergey Savastiou教授在Solid State Technology期刊上發(fā)表了一篇名叫《Moore’s Law – the Z dimension》的文章。這篇文章最后一章的標(biāo)題是Through-Silicon Vias，這是Through-Silicon Via這個(gè)名詞首次在世界上亮相。這篇文章發(fā)表的時(shí)間點(diǎn)似乎也預(yù)示著在新的千禧年里，TSV注定將迎來(lái)它不凡的表演。

TSV示意圖

如果說(shuō)Wire bonding（引線鍵合）和Flip-Chip（倒裝焊）的Bumping（凸點(diǎn)）提供了芯片對(duì)外部的電互連，RDL（再布線）提供了芯片內(nèi)部水平方向的電互連，那么TSV則提供了硅片內(nèi)部垂直方向的電互連。 作為唯一的垂直電互連技術(shù)，TSV是半導(dǎo)體先進(jìn)封裝最核心的技術(shù)之一。

90年代中期，半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)生一件大事： IBM用銅電鍍大馬士革工藝全面替代的濺射鋁作為集成電路中晶體管互連。這樣電鍍銅在半導(dǎo)體行業(yè)便開始成為標(biāo)準(zhǔn)工藝，這讓電鍍銅用于TSV的微孔金屬化填充更加順理成章。

至此， 現(xiàn)代TSV的兩項(xiàng)核心技術(shù)：深硅刻蝕和電鍍都出現(xiàn)了。

TSV不僅賦予了芯片縱向維度的集成能力，而且它具有最短的電傳輸路徑以及優(yōu)異的抗干擾性能。隨著摩爾定律慢慢走到盡頭，半導(dǎo)體器件的微型化也越來(lái)越依賴于集成TSV的先進(jìn)封裝。TSV對(duì)于像CMOS Image Sensor（CIS，CMOS圖像傳感器），High Bandwidth Memory（HBM）以及Silicon interposer（硅轉(zhuǎn)接板）都極其重要。因?yàn)榇嬖诟泄饷娴木壒?，CIS芯片的電信號(hào)必須從背部引出，TSV因此成為其必不可少的電互連結(jié)構(gòu)。

HBM是基于多層堆疊的存儲(chǔ)芯片，如今HBM已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)12層的堆疊，16層以上更多層的堆疊相信在不久的將來(lái)也會(huì)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然這一切都離不開TSV的互連。而Silicon interposer可以將多種芯片，像CPU、memory、ASIC等集成到一個(gè)封裝模塊的關(guān)鍵組件，它的垂直互連同樣需要TSV。事實(shí)上，法國(guó)的Yole development咨詢公司曾做過(guò)一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)TSV幾乎可以應(yīng)用于任何芯片的封裝以及任何類型的先進(jìn)封裝，包括LED、MEMS等。

正是因?yàn)門SV的重要性，各大Foundry和OSTA公司也不斷投入TSV技術(shù)的研發(fā)。這階段的研發(fā)重點(diǎn)是如何保證電鍍沉積主要發(fā)生在TSV孔內(nèi)而不是硅片表面。如果不采取任何措施，電鍍時(shí)硅表面金屬沉積的速度會(huì)遠(yuǎn)快于TSV孔內(nèi)。這個(gè)問(wèn)題目前的解決方法是在電鍍液中添加抑制劑和加速劑，分別抑制硅片表面的金屬沉積并加速TSV孔內(nèi)的沉積。為了獲得完美的填充效果和足夠高的良率，各大Foundry和OSTA公司都做了大量研究以獲得最佳的電鍍的參數(shù)，例如電流，溫度，硅片的與電極的相對(duì)位置，添加劑的濃度等。各大半導(dǎo)體設(shè)備公司也開始針對(duì)TSV的電鍍推出專用的半導(dǎo)體設(shè)備。

在硬件世界中，經(jīng)常用與速度有關(guān)的術(shù)語(yǔ)來(lái)談?wù)撍词欠袷莾?nèi)存的帶寬，處理器的時(shí)鐘周期，處理器每秒執(zhí)行某種類型的計(jì)算的次數(shù)等等，但是我們很少問(wèn)自己這些芯片如何相互通信以及這是否重要。

在本文中，我們將討論一種稱為TSV的技術(shù)，該技術(shù)可用于相互通信的芯片。

什么是硅或TSV通路？

如果我們看大多數(shù)主板，可以看到兩件事：第一，芯片之間的大多數(shù)連接都是水平的，這意味著板上發(fā)送芯片間信號(hào)的路徑是水平通信的。

PCB

然后是CPU的情況，這些CPU放置在我們稱為插座的插入器的頂部，并且處理器在這些插入器上垂直連接。

Socket CPU

但是通常，在99％的時(shí)間中，我們觀察到通常沒(méi)有相互垂直連接的芯片，盡管事實(shí)上芯片和處理器的設(shè)計(jì)朝著這個(gè)方向發(fā)展，并且市場(chǎng)上已經(jīng)有這種類型的示例。但是，如何使兩個(gè)或更多芯片垂直互連？

TSV

好吧，正是通過(guò)所謂的硅通道來(lái)完成的，硅通道垂直穿過(guò)組成堆棧的同一芯片的不同芯片或不同層，這就是為什么它們被稱為“通過(guò)”硅通道，因?yàn)樗鼈儗?shí)際上是通過(guò)的。

使用TSV的應(yīng)用和優(yōu)勢(shì)

TSV的應(yīng)用之一是，它允許將由不同部分組成的復(fù)雜處理器分離在幾個(gè)不同的芯片上，并具有以下附加優(yōu)點(diǎn)：垂直連接允許更多數(shù)量的連接，這有助于實(shí)現(xiàn)更大的帶寬，而無(wú)需額外的帶寬。很高的時(shí)鐘頻率會(huì)增加數(shù)據(jù)傳輸期間的功耗。

例如，在將來(lái)，我們將看到CPU和GPU的最后一級(jí)緩存將不在芯片上，它們具有相同的帶寬，但存儲(chǔ)容量卻是原來(lái)的幾倍，這將大大提高性能。我們也有使用FSV來(lái)通信Lakefield SoC的兩個(gè)部分的Intel Foveros示例，即帶有系統(tǒng)I/O所在的基本芯片的計(jì)算芯片。

Lakefield Foveros

將處理器劃分為不同部分的原因是，隨著芯片的變大，電路中錯(cuò)誤的可能性越來(lái)越大，因此沒(méi)有故障的優(yōu)質(zhì)芯片的數(shù)量會(huì)增加。他們可以使用的更少，而那些做得好的人必須支付失敗者的費(fèi)用；這意味著從理論上減小芯片的尺寸會(huì)降低總體成本，盡管稍后我們將看到情況并非完全如此。

HBM-vs-GDDR

第二個(gè)應(yīng)用程序與占用的空間有關(guān)；能夠垂直堆疊多個(gè)芯片的事實(shí)大大減少了它們占用的面積，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)散布在板上，其中最著名的示例是將HBM內(nèi)存用作某些圖形處理器的VRAM，但是我們還有其他示例，例如三星的V-NAND存儲(chǔ)器，將多個(gè)NAND閃存芯片彼此堆疊。

3D NAND

其他鮮為人知的選擇是邏輯和內(nèi)存的組合，其中內(nèi)存位于處理器的頂部，最著名的示例是寬I/O內(nèi)存，這是幾年前出現(xiàn)在智能手機(jī)中的一種內(nèi)存，包括SoC頂部的存儲(chǔ)器通過(guò)硅互連。

TSV這項(xiàng)并不為人熟知的技術(shù)，正在硬件的底層深深的影響著人類的生產(chǎn)生活方式。半個(gè)多世紀(jì)前的那個(gè)秋天，肖特基那個(gè)在硅片上打孔的想法最終將人類帶入了人工智能的時(shí)代。

來(lái)源：芯片半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室