用于3D异构集成的混合键合接地热传输硅通孔技术（G-TTSV）

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Hybrid bonding base grounded thermal through silicone vias(G-TTSV) for 3D heterogenous integration

　　

Muhammad Bilal Ali Arshad|Eun Ho Lee|Kee-Won Kwon

韩国水原市成均馆大学半导体融合工程系，邮编16419

摘要

本文提出了一种基于混合键合焊盘的接地型热穿透硅过孔（G-TTSV）架构，用于先进的高密度3D集成电路。该G-TTSV同时兼具热传导路径和电磁屏蔽功能，有助于在精细间距的混合键合互连中实现热管理与信号完整性的协同优化。为在高布线密度条件下提升热传导性能，可将一个大的接地型TTSV拆分为三个、四个或六个高长宽比的接地型TTSV，同时保持总铜体积不变。这些重新分布的过孔以更小的间距排列，从而增强堆叠芯片间的垂直散热效果。热分析表明，传统圆形结构的峰值温度为332 K，而三角形、菱形、矩形和六边形排列的G-TTSV对应的峰值温度分别降至326 K、325 K、324 K和322 K。垂直温度分布进一步证明，优化后的结构具有更强的热量分散能力，热积累现象也有所减轻。此外，所提出的G-TTSV阵列还能通过抑制相邻TTSV之间的电磁耦合，显著提升信号完整性。与圆形结构相比，三角形、菱形、矩形和六边形排列的互电容分别从0.844 fF降至0.330 fF、0.324 fF、0.146 fF和0.148 fF，从而大幅降低了近端串扰和远端串扰。

引言

系统级封装技术已成为缓解冯·诺依曼架构带来瓶颈的有效手段。由于逻辑单元的性能提升速度远远快于内存模块，因此有必要将高速内存与逻辑电路紧密集成在一起。3D集成电路为解决这一“内存墙”问题提供了有效方案，它通过垂直堆叠逻辑芯片和内存芯片来实现功能整合。然而，如此高的集成度也带来了严重的热管理挑战。尤其是逻辑芯片往往会产生更高的功耗，从而导致堆叠结构中出现局部过热现象。这些热点会升高工作温度，降低电气性能，减弱可靠性，并加速结构损坏[1,2]。为应对3D集成电路中的热管理问题，已有研究指出矩形TTSV的尖角会导致四边应力集中，进而降低其机械可靠性，限制其实际应用价值[3]。此外，关于TTSV及重分配层优化布局的研究表明，若底层芯片中的TTSV与热点位置对齐，则上层芯片中的TTSV也应靠近该区域或直接位于底层TTSV上方，这样才能实现有效的垂直散热[4]。人们还针对带有微凸点的TTSV建立了等效热导率模型，并系统研究了不同TTSV几何形状对z方向上有效热导率的影响$K_{eq,z}$。

以往大多数研究都采用微凸点作为TTSV的集成方式，而3D集成电路中也多采用这种集成方式。不过，随着铜-铜混合键合技术的发展，现在也可以利用混合键合技术集成TTSV，因为铜金属的热导率为401（W/m·K），远高于微凸点集成中所用的Cu?Sn材料（W/m·K）[3,6]。基于铜-铜焊盘的混合键合技术使得间距小于10 μm的TTSV也能被成功集成[7,8]。

虽然热导率是3D集成电路设计中的重要考量因素，但信号完整性同样不可忽视。因此，许多研究致力于在3D集成电路中集成信号TTSV和接地TTSV，以实现高速的芯片内通信[9]。2.5D、3D和3.5D架构的先进封装系统SiP解决方案则依靠信号TTSV和中介层来实现芯片内通信[[10], [11], [12], [13], [14]]。有些研究还在信号TTSV周围采用了无源均衡器和二氧化硅衬层，以减少漏电流和串扰效应[15,16]。差分高长宽比TTSV也被引入，用以替代普通的大尺寸TTSV，从而降低相互耦合的TTSV之间的串扰效应[17,18]。不过，也有研究专门致力于在硅胶基底上制备高长宽比TTSV[19,20]。本研究的主要目标就是同时研究串扰和热导率问题，并通过提出一种接地型热穿透硅过孔（G-TTSV）结构来缓解这些问题。该结构具有双重作用：既能提升热导率，又能降低信号TTSV之间的互电容Cm，而互电容正是导致TTSV阵列出现远端和近端串扰的主要原因。在第一部分中，我们将直径较大的G-TTSV替换为三个、四个或六个高长宽比的TTSV，同时确保这三种或四种结构的总铜体积与单个大直径圆形TTSV的体积相等。在第二部分中，我们使用COMSOL软件对所有提出的G-TTSV结构进行了热导率分析。在第三部分中，我们则利用Ansys HFSS和Ansys Q3D软件，研究这些G-TTSV与信号TTSV结合后对串扰和互电容的影响。

章节节选

模型与方法

为提升3D集成电路中热穿透硅过孔的效用，我们提出了采用多个高长宽比接地型热穿透硅过孔来替代单个大直径TTSV。如图1(a)所示为带有较大键合焊盘直径的单个大直径TTSV，而图1(b)则为三个呈三角形排列的TTSV，它们的总体积与单个大直径TTSV相当。图1(c)和(d)则展示了基于四个TTSV的两种设计方案。

G-TTSV对串扰的影响

尽管在3D集成电路中，TTSV的传统作用是提升热传导效率并帮助散热，但在本研究中，TTSV被设计为一种接地型热穿透硅过孔（G-TTSV），从而同时具备热传导和电气接地功能。这一双重功能极为有益，因为G-TTSV不仅能增强散热效果，还能通过屏蔽效应有效降低相互耦合的信号TTSV之间的串扰现象。此外，还有一些寄生元件也会影响电路性能。

结论

我们所提出的基于混合键合焊盘的接地型热穿透硅过孔（G-TTSV）架构，可应用于高密度3D集成电路，其中的接地型TTSV同时兼具热传导路径和电磁屏蔽结构的功能。通过将一个大的接地型TTSV拆分为多个高长宽比的接地型TTSV，且保持总铜体积不变，该设计在无需增加整体铜用量的前提下，提升了电路的热性能和电气性能。

发明内容

在本研究中，我们发明了一种用于下一代混合键合型3D异构集成电路的接地型热穿透硅过孔（G-TTSV）。这种具有双重功能的G-TTSV，若放置在热点附近，可加快热量散发速度；而若放置在信号TTSV附近，则能降低相邻信号TTSV之间的串扰效应。

资助情况

本研究得到了韩国贸易、工业和能源部（MOTIE）资助的“技术创新计划”（RS-2023-00236091，项目名称为“用于3D封装互连的混合键合技术”）的支持，以及韩国国家研究基金会（NRF）的资助，该基金由韩国政府科技信息通信部（MSIT）提供支持（项目编号为RS-2023-00239657）。

作者贡献说明

Muhammad Bilal Ali Arshad：概念设计、研究方法、软件应用、初稿撰写。Eun Ho Lee：指导监督、论文审阅与编辑。Kee-Won Kwon：指导监督、论文审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明存在以下可能被视为利益冲突的财务利益或个人关系：Kee-Won Kwon与韩国贸易、工业和能源部存在合作关系，其中包括获得资金资助；Eun Ho Lee也与该部门存在类似的合作关系，同样获得了资金资助。Kee-Won Kwon还与韩国国家研究基金会存在合作关系，亦获得了资金支持。除此之外，作者声明不存在其他利益冲突。