近年来,半导体封装产业发展迅速,出现了众多新型应用,例如各种MEMs传感器,便携式电子设备等。随着半导体封装技术的发展,半导体封装产品中集成电路密度不断增加,功能越来越多样化和复杂化,器件性能不断提高;然而传统2D封装是以光波光刻为基础,其所能实现的特征尺寸已经逐渐逼近极限,摩尔定律发展遇到瓶颈,因此难以满足市场需求。虽然出现了基于转接板技术的2.5D封装和基于引线互连的3D封装,但是其对于器件功能的集成和可靠性会带来更多挑战,就长期而言,也难以满足根本需求。因此,基于TSV纵向互连技术的3D封装已是大势所趋,并且在国际上展开了广泛研究。我国已经在3D封装等新型领域投入大量资金和人力,但国内在基于TSV纵向互连技术的3D封装方面的工艺研究仍然相对滞后,封装可靠性方面还存在许多未解决的问题。本文围绕TSV纵向互连技术,针对关键工艺:晶圆减薄,铜-锡微凸块键合和芯片堆叠等展开了一系列基础研究,通过对关键工艺的研究,最终掌握了基于TSV纵向互联的多层减薄芯片堆叠技术,具体研究内容如下:(1)由于TSV芯片堆叠需要大大降低每层芯片的厚度,以降低整体堆叠模块的厚度,因此,本文研究了一套与TSV工艺兼容的集成晶圆减薄工艺,为多层芯片堆叠提供减薄芯片。该集成晶圆减薄工艺包括工艺参数优化的机械磨削(最优工艺参数为:砂轮转速2000r/min,砂轮进给率粗磨1um/s、精磨0.1um/s,托盘转速300r/min),干法刻蚀/湿法腐蚀等表面应力释放处理,CMP抛光和超薄晶圆临时键合、搬移。使用该集成晶圆减薄工艺,可将TSV硅晶圆减薄至40um。(2)为了研究多层薄芯片堆叠技术,本文对传统的芯片堆叠方法,包括普通铜锡微凸块键合方法和铜锡微凸块/高分子胶混杂键合方法通过模拟和实验进行了对比。发现铜-锡微凸块/高分子胶混杂键合方法虽然有利于提高整体键合强度,但由于高分子胶材料热膨胀系数远超其他键合材料,因此在热循环环境中容易产生热失配,导致微互连键合层发生蠕变和疲劳损伤,从而降低键合模块的热机械可靠性。为解决该问题,通过有限元仿真研究,提出了一种改良的沉头孔键合结构,可以在一定程度上提高整体剪切键合强度的情况下,同时保持同等的热机械可靠性,并采用该改良键合结构,完成了10层芯片堆叠;(3)为了进一步提高芯片键合强度和超薄芯片的可堆叠层数,提出了一种基于纳米多孔铜凸块的铜-锡微凸块键合技术。对普通铜-锡微凸块堆叠芯片和纳米多孔铜-锡微凸块堆叠芯片进行键合层成分和键合强度的比较,发现纳米多孔铜-锡微凸块键合时具有快速合金反应的特点,即可以在相当短的时间内实现合金反应的充分进行,并达到较高的键合强度。基于该特点,进一步提出了一种新型的堆叠方法,以摆脱传统自底向上逐层累加的方法的禁锢,增加每层芯片的总键合时间的均匀度。采用该堆叠方法,解决了传统键合方法底部芯片因键合次数过多而导致微凸块破损的问题,并使芯片可堆叠层数由10-12层提高至21层。