1. TSV究竟是什麼
關鍵詞：TSV、先進封裝
1.TSV技術
TSV（Through Silicon Via）中文稱為硅通孔技術，該技術在晶元與晶元之間、晶圓和晶圓之間製作垂直導通。通過銅、鎢、多晶硅等導電物質的填充，實現硅通孔的垂直電氣互聯，是3D先進封裝的關鍵技術之一。
（a）
（b）
TSV封裝(a)與疊層封裝(b)對比圖(圖片來源：芯語)
2.TSV技術的優勢
高密度集成：通過先進封裝，可以大幅度提高電子元器件集成度，減小封裝的幾何尺寸和封裝重量。克服現有的2D-SIP和PoP系統的不足，滿足微電子產品對於多功能和小型化的要求。
提高電性能：由於TSV技術可以大幅度縮短電互連的長度，從而可以很好地解決出現在SOC技術中的信號延遲等問題，提高電性能。
多種功能集成：通過TSV互連的方式，可以把不同的功能晶元（如射頻、內存、邏輯、數字和MEMS等）集成在一起實現電子元器件的多功能。
降低製造成本：雖然目前TSV三維集成技術在工藝上的成本較高，但是可以在元器件的總體水平上降低製造成本。
TSV技術實現CMOS、MEMS以及光電子電路三維混合集成示意圖(圖片來源：知乎)
3.TSV的主要技術環節
1)通孔的形成
晶片上通孔的加工是TSV技術的核心，目前通孔加工的技術主要有三種，一種是干法刻蝕，一種是濕法刻蝕，還有一種是激光打孔。在這三種方法中，干法刻蝕具有速度快、方向性好、控制性強等優點，成為通孔製造的最常用方法；激光打孔速度更快，但因為熱損傷將導致精度降低，所以現行並未常用。
2)相關特殊晶片的製作
如果晶片用於3D封裝則需要減薄，以保證形成通孔的孔徑與厚度比例在合理范圍。若不考慮層堆疊的要求，晶元間的通孔互連技術要求上層晶元的厚度在20-30微米。晶片減薄技術中需要解決磨削過程晶片始終保持平整狀態，減薄後不發生翹曲、下垂、表面損傷擴大、晶片破裂等問題。
3)通孔的金屬化
TSV的通孔金屬化，通常是以電鍍的方法進行的。但由於硅基板本身基體的導電性較差，不能直接進行電沉澱。所以，其金屬化將首先使用PVD沉澱出厚度為數個納米的電子層，使得硅基板有導電性之後，再進行電鍍。
4)TSV鍵合
完成通孔金屬化和連接端子的晶片之間的互連通常稱為TSV鍵合技術。這種技術採用的工藝有金屬-金屬鍵合技術和高分子粘結鍵合等，而目前以金屬-金屬鍵合技術為主要方式，因為這種技術可以同時實現機械和電學的接觸界面。例如銅-銅鍵合在350-4000℃下施加一定壓力並保持一段時間，接著在氮氣退火爐中經過一定時間退火而完成TSV鍵合。
4.TSV的技術關鍵
3D IC技術繼續向細微化方向發展，硅通孔3D IC技術互連尚待解決的關鍵技術之一是通孔的刻蝕。TSV穿孔主要有兩種工藝取向——先通孔和後通孔，前者是在IC製作過程中製作通孔，後者在IC製造完成之後製作通孔。先通孔工藝又分為兩種——前道互連型和後道互聯型。前者是在所有CMOS工藝開始之前在空白的硅晶圓上，通過深度離子刻蝕實現，由於穿孔後必須承受後續工藝的熱沖擊（通常高於1000℃），因而多使用多硅晶作為通孔的填充材料；而後道互連型則是在製造流程中在製造廠實現的，一般使用金屬鎢或銅作為填充材料。顯然，先通孔方法必須在設計IC布線之中預留通孔位置，在IC器件製造完成之後，在預留的空白區域進行穿孔，一般採用激光鑽孔的方式，通過電鍍鍍銅實現金屬化，因而具有更好的導電性能。
此外，3D TSV的關鍵技術還包括：通孔的形成；堆疊形式（晶圓到晶圓、晶元到晶圓或晶元到晶元）；鍵合方式（直接Cu-Cu鍵合、粘接、直接熔合、焊接）；絕緣層、阻擋層和種子層的沉積；銅的填充（電鍍）、去除；再分布引線（RDL）電鍍；晶圓減薄；測量和檢測等。
5.TSV與先進封裝的關系
TSV實質上不能說是一種封裝技術方案，它只是一種先進封裝工藝中的重要一環。由於TSV的誕生，半導體裸片和晶圓可以實現以較高的密度互聯堆疊在一起，這也成為了先進封裝的標志之一。在TSV誕生之前，晶元之間的大多數連接都是水平的，這意味著板上晶元與晶元之間將散布在板上，整體的佔用空間將隨著具體功能的增加而指數性增大。
6.TSV技術的應用與發展
TSV技術仍存在較高的技術壁壘，國內僅有少數企業具備量產能力。TSV作為半導體封裝中較為獨特的技術方向，早期主要來自以色列公司Shellcase的技術授權，或者企業本身的自主研發。國內目前具備TSV技術能力的廠商主要包括華天科技（崑山）、晶方科技、長電科技、碩貝德（科陽光電）等。國際上除台積電外，三星、英特爾等大廠亦加速先進封裝技術開發與產能布建，打造整合IC前後端製程一條龍供應鏈，並先後推出采TSV技術的異質整合3D IC解決方案，以解決整合邏輯晶元、高帶寬存儲器、特殊製程晶元的需求。