芯片技術作為現代科技發展的核心驅動力，其制程工藝逼近物理極限，使得芯片三維異質集成來延續和拓展摩爾定律的重要性日趨凸顯。芯片三維互連技術及異質集成能夠將不同功能芯片在三維方向整合，提升芯片性能，為眾多領域提供高性能解決方案。在眾多技術探索中，金剛石因(yin)其卓越特性(xing)成為(wei)芯(xin)片技術發展(zhan)的新希望。

          芯片三維互連技術

       通過(guo)垂直方向(xiang)上(shang)的(de)TSV/TGV技術與水平方向(xiang)上(shang)的(de)RDL技術的(de)配合，對芯片進行(xing)三維互(hu)連，可將(jiang)不同尺寸(cun)、材料、制程和功能的(de)Chiplet異質集成到1個封裝體中。

       1、TSV技術：垂直互連的關鍵

       TSV主要用于垂直(zhi)方向信號連接，Cu-TSV 應用廣泛。其制造工(gong)藝包(bao)含深(shen)孔刻蝕、絕緣層及(ji)種子層形(xing)成、Cu填充(chong)(chong)和(he)多余Cu去除等(deng)步驟。當前(qian)TSV直(zhi)徑(jing)約10μm，深(shen)寬(kuan)比約10∶1，未來有望縮小至直(zhi)徑(jing)1μm、深(shen)寬(kuan)比20∶1。然而，小尺寸(cun)TSV加工(gong)面臨絕緣層和(he)種子層均勻性及(ji)Cu填充(chong)(chong)難題，相關工(gong)藝和(he)材料特性研究有待深(shen)入。

       2、TGV技術：低成本高潛力替代方案

       TGV是(shi)(shi)TSV的(de)低成本替代，具有高頻特性好(hao)、工藝流程簡單等優勢，在射頻、光電和 MEMS器(qi)件封裝領域前景廣闊(kuo)。其工藝流程包括盲孔制備、種子層沉積和電鍍(du)填充。激光誘導濕法刻蝕(shi)是(shi)(shi)常用成孔方法，但(dan)存(cun)在側(ce)壁(bi)垂直度差、深寬比小等問(wen)題(ti)，且 TGV電鍍(du)填充方式與TSV不同(tong)，相關理論(lun)研究缺(que)乏。

       3、RDL技術：水平互連的核心

       RDL實(shi)現(xian)芯片水平方向互連，通過(guo)晶圓(yuan)級金(jin)屬布線(xian)工藝改(gai)變I/O焊盤位置和排列。目前高密(mi)度(du)RDL線(xian)寬/線(xian)間距(ju)(ju)約6μm，微(wei)(wei)(wei)孔直(zhi)徑20μm，但為提(ti)高I/O密(mi)度(du)，需發展(zhan) 1μm線(xian)寬/線(xian)間距(ju)(ju)和更小(xiao)直(zhi)徑微(wei)(wei)(wei)孔的RDL。實(shi)現(xian)高密(mi)度(du)RDL面臨光(guang)刻、微(wei)(wei)(wei)孔加工、低介電(dian)常數材料和工藝選擇(ze)等關鍵問(wen)題(ti)。

       異質集成方案

       1、基于TSV及RDL的異質集成方案

       晶圓級封裝：TSV用于傳感器封裝可減小尺寸(cun)、提高生產效(xiao)率，硅基埋(mai)入(ru)扇出(chu)技術實現了芯(xin)片(pian)三維堆(dui)疊封裝，不(bu)同系統或功能芯(xin)片(pian)可集(ji)成在一(yi)個芯(xin)片(pian)中。

       2016年，華天科技有限公司開發出(chu)硅基埋入(ru)扇出(chu)（eSiFO）技術，使用(yong)硅片(pian)作(zuo)為載體，將芯(xin)片(pian)置于在12英寸硅晶圓(yuan)(yuan)上(shang)制作(zuo)的(de)高精度凹槽內，重構出(chu)1個晶圓(yuan)(yuan)；然后采(cai)用(yong)可光(guang)刻(ke)(ke)聚合(he)物(wu)材料填充(chong)芯(xin)片(pian)和晶圓(yuan)(yuan)之(zhi)間的(de)間隙，在芯(xin)片(pian)和硅片(pian)表(biao)面形(xing)成(cheng)扇出(chu)的(de)鈍化平(ping)面；再通(tong)過光(guang)刻(ke)(ke)打開鈍化層(ceng)開口，并采(cai)用(yong)晶圓(yuan)(yuan)級工藝進(jin)行布線和互連(lian)封裝。

       2.5D TSV轉接板異質集成：2.5D TSV轉(zhuan)接板(ban)解決(jue)有機基板(ban)布線(xian)問題(ti)，實現多(duo)芯片高密(mi)度連接，臺積電CoWoS技術具代表性，已廣泛應用于高性能計算(suan)領域。

       2011年，臺(tai)積電該技術(shu)通(tong)過芯片(pian)到晶(jing)圓工藝將芯片(pian)連(lian)接至硅轉(zhuan)接板上(shang)(shang)，再把堆疊芯片(pian)與基板連(lian)接，實現芯片(pian)－轉(zhuan)接板－基板的三(san)維(wei)封裝結構。該技術(shu)采用前道工藝在轉(zhuan)接板上(shang)(shang)制作高密度的互連(lian)線，通(tong)過轉(zhuan)接板完成多個芯片(pian)的互連(lian)，可以大幅提(ti)高系統(tong)集成密度，降低封裝厚度。

 典型2.5DTSV轉接板異質集成結構  圖源：論文

       三維異質集成：基于TSV和微(wei)凸點的3D集(ji)成(cheng)技術(shu)用于存(cun)儲芯片，后(hou)拓(tuo)展(zhan)到(dao)邏輯芯片堆疊，英特爾和三星推出相(xiang)關技術(shu)并實現(xian)量(liang)產。

       2019年，英(ying)特爾推(tui)出基于TSV和(he)微凸點的(de)新型(xing)3D集(ji)成技(ji)術Foveros，該技(ji)術能(neng)夠實現邏(luo)輯(ji)芯(xin)片(pian)的(de)面(mian)對面(mian)堆(dui)疊，首次將芯(xin)片(pian)堆(dui)疊從傳統的(de)無源中介層和(he)內(nei)存等擴展到高性(xing)能(neng)邏(luo)輯(ji)芯(xin)片(pian)。

       無凸點混合鍵合三維異質集成：無凸點Cu/絕緣(yuan)層混合鍵合解(jie)決微凸點微型(xing)化瓶頸，臺積電(dian)SoIC技術(shu)實現超高密度(du)垂直互連，但面臨(lin)設(she)計(ji)規則、平整度(du)等挑(tiao)戰。

       2015 年，索尼獲(huo)得(de)Ziptronix 公(gong)司的混合(he)(he)鍵合(he)(he)技術授(shou)權，首次(ci)推出了(le)基于(yu)無凸點混合(he)(he)鍵合(he)(he)的高性能圖(tu)像傳感(gan)器產品。半(ban)導體業界逐漸意(yi)識到混合(he)(he)鍵合(he)(he)將(jiang)成為突破微凸點微型化(hua)瓶(ping)頸的有效途(tu)徑。

       2、基于玻璃基板的異質集成方案

       TGV及RDL異質集成：玻(bo)璃基(ji)板(ban)在傳(chuan)輸性(xing)能、布(bu)線和成(cheng)本上(shang)具優勢，基(ji)于TGV及 RDL的異質集成(cheng)方案(an)已用(yong)于多種芯片(pian)封(feng)裝(zhuang)，但玻(bo)璃散(san)(san)熱差，需(xu)改進散(san)(san)熱設計。

       埋入玻璃式扇出型異質集成：佐治亞(ya)理工(gong)學(xue)院和本(ben)文(wen)作者團隊開發的相關(guan)技術實現邏輯和存儲芯(xin)(xin)片集(ji)成(cheng)，在電(dian)源、超聲(sheng)換(huan)能器和毫米波(bo)雷達芯(xin)(xin)片封裝(zhuang)中(zhong)獲應(ying)用(yong)，提升芯(xin)(xin)片性能和集(ji)成(cheng)度。

       金剛石在三維互連技術及異質集成中的應用

       金剛石/銅復合材料：通過(guo)在金剛石顆粒(li)上設計雙層結(jie)構，采(cai)用真(zhen)空熱(re)壓法(fa)制備了高致(zhi)密(mi)度、良好熱(re)性能的金剛石/銅(tong)復(fu)合(he)材料(liao)，改(gai)善(shan)了金剛石與銅(tong)基體之(zhi)間的界(jie)面結(jie)合(he)，獲得了高達721W/（m?K）的熱(re)導率。

       金剛石與硅基半導體的集成：華為通過Cu/SiO2混合(he)鍵(jian)合(he)技(ji)術將(jiang)硅(gui)基(ji)與金(jin)剛石襯底材料進行三(san)維(wei)集成，利用金(jin)剛石的高散熱(re)性為三(san)維(wei)集成的硅(gui)基(ji)器(qi)件(jian)提(ti)供散熱(re)通道，提(ti)高器(qi)件(jian)的可靠(kao)性。

       厚膜氮化鎵與多晶金剛石異質集成：中國科學院微電子研究所采用動態入射角度的等離子體拋光技術和原位硅納米層沉積輔助的離子束表面活化(hua)鍵合方(fang)法，實現了厚膜GaN與(yu)多晶金(jin)剛石的異質集成，鍵合率達~92.4%。

       金剛石半導體芯片研發：Diamond Foundry培(pei)育全球首(shou)個單晶金(jin)剛(gang)石晶圓(yuan)，旨(zhi)在解(jie)決人(ren)工智能、云計算芯片、電動汽車電力電子器件和無線通信(xin) 芯片的熱挑戰。

       總結

       芯(xin)(xin)(xin)(xin)片(pian)三(san)維互(hu)連和(he)異質集成技術發展(zhan)迅速，多種(zhong)技術方案已應(ying)用(yong)(yong)或具應(ying)用(yong)(yong)潛(qian)力，但仍(reng)面(mian)(mian)臨諸(zhu)多挑戰。金(jin)剛石的引(yin)入(ru)為芯(xin)(xin)(xin)(xin)片(pian)技術帶(dai)來新機遇(yu)，國內(nei)外(wai)研究和(he)應(ying)用(yong)(yong)展(zhan)示其(qi)在提(ti)升芯(xin)(xin)(xin)(xin)片(pian)性能和(he)功(gong)能方面(mian)(mian)的巨大(da)潛(qian)力。未來，期待金(jin)剛石在芯(xin)(xin)(xin)(xin)片(pian)領域的深(shen)入(ru)研究和(he)廣泛應(ying)用(yong)(yong)，推動(dong)芯(xin)(xin)(xin)(xin)片(pian)技術實現(xian)新突破，為科技發展(zhan)注入(ru)新動(dong)力。