微纳三维集成电路及其封装的研究

发布日期： 04-07-2011

基于硅通孔（TSV）新技术的微纳米三维集成电路的研究

 

半个世纪以来，微电子技术一直遵循摩尔定律，即芯片的集成度每18个月翻一番。对于电子器件小型化和多功能的需求已促使集成电路内的晶体管尺寸减小到了32nm，并将很快进入22nm时代。但是，目前这一缩小的趋势受到了严峻的挑战。一方面，缩小晶体管尺寸的能力受到物理极限的限制，另一方面，随着特征尺寸的不断减小，金属互连的延迟和功耗在不断增加，互连已经取代晶体管成为决定集成电路性能的主要因素及限制其未来发展的瓶颈。基于硅通孔（Through Silicon Via，TSV）的三维集成技术成为应对这一挑战的有力解决方案。

三维集成技术把芯片叠加起来，使用硅通孔在垂直方向为各个芯片提供电路连接。与引线键合相比，硅通孔缩短了垂直方向电路的连接，因此大大减小了信号的RC延迟和互连上的功率损耗。图 1是典型的硅通孔三维集成结构，图 2是硅通孔三维转接板结构。与两维集成电路相比，三维集成电路减小的是晶体管之间的距离而不是晶体管的尺寸。三维集成电路和硅通孔技术极大地提高了集成度，推动工业界向“延续摩尔定律”（More Moore）和“超越摩尔定律”（More Than Moore）发展，在学术界和工业界掀起研究热潮。

 

 

                            图1基于硅通孔的三维集成技术

                            图2 硅通孔三维转接板结构

                             图3 三维集成技术的发展趋势

 

当亚微米(65nm)硅刻蚀技术和密集型封装工艺发展至更精密的阶段时，系统封装基础结构的边界将遇到艰巨的挑战。现在用于单芯片上不同元件之间的金属互连线将会遇到很多的问题。例如，信号延迟的增加，功耗难以接受，以及电磁相互感应问题。此时需要引入更加综合性的仿真方案来同时兼顾处理半导体问题和电磁波传播等电磁效应，来保证信号的完整性。

当下一代系统的数据速率超出每秒数个Gbits时，连接 “drivers” 和“receivers”之间的无源介质将与固态器件本身同样重要而复杂。互连介质包括芯片与电路板，电路板与电路板之间的固定或可移动连接器、印制电路板和电缆适配器。这些互连介质在传输过程中的任何不连续性都将导致信号恶化、功耗增加、辐射泄露增加，从而成为限制系统整体性能的重要因素。

研究光、半导体结构和射频场之间的相互作用仍是个开放性的问题，同时考虑射频电路和光电器件才能有效地解决该问题，这就需要有更高更好的技术来解决如此复杂性的电磁场建模问题。同时，天线、光学器件和射频电路的三维(3D)集成封装问题，还处于实验性阶段。需要进行大量的研究以推广至工业应用。

系统复杂性和集成度提高使得系统内电磁兼容问题更显重要，但是目前从芯片至系统级的电磁兼容问题缺乏有效的建模方法。模式阶数缩减技术在降低系统矩阵规模方面具有相当的潜力，亦使得大规模的电磁系统的快速精确仿真成为可能。 

 

            图4 信号完整性 (IEEE Trans on EMC vol. 52, No.2, pp.248, May 2010)

我们的主要研究领域包括：研发三维集成电路和硅通孔的建模和仿真技术；深入研究三维硅通孔结构的电磁与电气特性、三维IC涉及的硅材料技术；创建新型三维电路结构, 提出三维IC硅通孔的新颖制造工艺技术,研发新颖硅通孔测试技术和设备。从理论、仿真、和实验上全面深入地研究三维集成电路和硅通孔的电性能及其结构设计。