TSV硅通孔填充材料

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/黃山明）TSV（Through Silicon Via）即硅通孔技術(shù)，是通過(guò)在芯片和芯片之間、晶圓和晶圓之間制作垂直導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)芯片之間互連的技術(shù)，是2.5D/3D封裝的關(guān)鍵工藝技術(shù)之一。

這些材料核心功能主要有三個(gè)，導(dǎo)電連接，主要提供低電阻信號(hào)/電源傳輸路徑；結(jié)構(gòu)支撐，用來(lái)承受多層堆疊帶來(lái)的機(jī)械應(yīng)力；介質(zhì)隔離，避免相鄰?fù)组g的電短路。

材料類(lèi)型	典型材料	特性?xún)?yōu)勢(shì)	應(yīng)用場(chǎng)景
導(dǎo)電材料	銅（Cu）	導(dǎo)電性最優(yōu)（1.68μΩ?cm），成本低	主流 TSV 填充
	鎢（W）	抗電遷移能力強(qiáng)，高溫穩(wěn)定性好	高溫環(huán)境 / 可靠性要求高
	銀（Ag）	高導(dǎo)電性，但成本高易氧化	特殊高頻器件
絕緣材料	二氧化硅（SiO?）	介電常數(shù)低（3.9），工藝成熟	通孔側(cè)壁絕緣
	聚酰亞胺（PI）	柔韌性好，應(yīng)力緩沖能力強(qiáng)	柔性電子器件
	氮化硅（Si?N?）	高擊穿電壓（>10MV/cm）	高壓器件
輔助材料	阻擋層（Ta/TaN）	防止銅擴(kuò)散至硅基底	銅填充 TSV 必備
	種子層（Cu）	促進(jìn)電鍍銅均勻沉積	銅填充工藝

主流材料種類(lèi)繁多，包括導(dǎo)電材料、絕緣材料、輔助材料等。技術(shù)上，TSV材料需要再材料匹配性上讓熱膨脹系數(shù)（CTE）需與硅（2.6ppm/℃）接近，避免熱應(yīng)力導(dǎo)致分層，其中銅填充需控制晶粒尺寸（<1μm）以降低電阻率。

填充工藝上，要滿(mǎn)足高深寬比（>10:1）通孔的無(wú)空洞填充，電鍍銅需優(yōu)化添加劑（如整平劑、抑制劑）實(shí)現(xiàn)超填充（ superfilling）。

同時(shí)可靠性上，電遷移壽命（10年@150℃）需滿(mǎn)足 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)，銅擴(kuò)散阻擋層厚度需≥10nm（防止與硅反應(yīng)生成Cu?Si）。

當(dāng)前全球TSV技術(shù)發(fā)展情況

目前在全球，主要由臺(tái)積電、三星和英特爾主導(dǎo)TSV技術(shù)發(fā)展，尤其在HBM、3D IC等高端封裝領(lǐng)域占據(jù)全球超80%市場(chǎng)份額。其中銅作為主流填充材料，其電鍍工藝（如硫酸銅、甲基磺酸銅體系）已實(shí)現(xiàn)高深寬比TSV的無(wú)缺陷填充，電鍍?cè)O(shè)備與添加劑市場(chǎng)由安美特、陶氏等國(guó)際企業(yè)壟斷。

規(guī)模上，2024年全球TSV市場(chǎng)規(guī)模達(dá)342.3億美元，預(yù)計(jì)2031年增至796.1億美元（CAGR 13%），其中填充材料成本占比達(dá)44%，驅(qū)動(dòng)電鍍市場(chǎng)年復(fù)合增長(zhǎng)率16%。預(yù)計(jì)2025年中國(guó)TSV市場(chǎng)規(guī)模占全球25%，2027年國(guó)內(nèi)封裝材料市場(chǎng)規(guī)模突破600億元，TSV相關(guān)材料（如絕緣層、種子層）成為增長(zhǎng)核心。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)在TVS材料上也有了不小的技術(shù)突破，例如深南電路、興森科技的FC-BGA基板通過(guò)華為認(rèn)證；華海誠(chéng)科的顆粒狀環(huán)氧塑封料（GMC）通過(guò)HBM封裝驗(yàn)證；德邦科技實(shí)現(xiàn)集成電路封裝材料批量供應(yīng)。

值得一提的是，TSV關(guān)鍵材料（如絕緣層、種子層）國(guó)產(chǎn)化率逐步提升，2025年目標(biāo)ABF載板15%、鍵合絲30%、封裝樹(shù)脂25%，2030年目標(biāo)達(dá)50%、70%、60%。當(dāng)然，一些高端材料（如高純度球鋁、先進(jìn)基板）仍依賴(lài)進(jìn)口，需加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研協(xié)同發(fā)展。

小結(jié)

TSV 填充材料的選擇需綜合考慮導(dǎo)電性、機(jī)械性能、工藝兼容性及成本。隨著 3D 集成技術(shù)向更高密度、更低功耗發(fā)展，材料創(chuàng)新與工藝優(yōu)化將持續(xù)推動(dòng) TSV 技術(shù)突破，成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)重要支撐。