V硅通孔填充材料

电子发烧友网报道（文/黄山明）TSV（Through Silicon Via）即硅通孔技术，通孔填充是材料通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通，通孔填充实现芯片之间互连的材料技术，是通孔填充2.5D/3D封装的关键工艺技术之一。

这些材料核心功能主要有三个，材料导电连接，通孔填充主要提供低电阻信号/电源传输路径；结构支撑，材料用来承受多层堆叠带来的通孔填充机械应力；介质隔离，避免相邻通孔间的材料电短路。

材料类型	典型材料	特性优势	应用场景
导电材料	铜（Cu）	导电性最优（1.68μΩ・cm），通孔填充成本低	主流 TSV 填充
钨（W）	抗电迁移能力强，材料高温稳定性好	高温环境 / 可靠性要求高
银（Ag）	高导电性，通孔填充但成本高易氧化	特殊高频器件
绝缘材料	二氧化硅（SiO₂）	介电常数低（3.9），材料工艺成熟	通孔侧壁绝缘
聚酰亚胺（PI）	柔韧性好，通孔填充应力缓冲能力强	柔性电子器件
氮化硅（Si₃N₄）	高击穿电压（>10MV/cm）	高压器件
辅助材料	阻挡层（Ta/TaN）	防止铜扩散至硅基底	铜填充 TSV 必备
种子层（Cu）	促进电镀铜均匀沉积	铜填充工艺

主流材料种类繁多，包括导电材料、绝缘材料、辅助材料等。技术上，TSV材料需要再材料匹配性上让热膨胀系数（CTE）需与硅（2.6ppm/℃）接近，避免热应力导致分层，其中铜填充需控制晶粒尺寸（<1μm）以降低电阻率。

填充工艺上，要满足高深宽比（>10:1）通孔的无空洞填充，电镀铜需优化添加剂（如整平剂、抑制剂）实现超填充（ superfilling）。

同时可靠性上，电迁移寿命（10年@150℃）需满足 JEDEC 标准，铜扩散阻挡层厚度需≥10nm（防止与硅反应生成Cu₃Si）。

当前全球TSV技术发展情况

目前在全球，主要由台积电、三星和英特尔主导TSV技术发展，尤其在HBM、3D IC等高端封装领域占据全球超80%市场份额。其中铜作为主流填充材料，其电镀工艺（如硫酸铜、甲基磺酸铜体系）已实现高深宽比TSV的无缺陷填充，电镀设备与添加剂市场由安美特、陶氏等国际企业垄断。

规模上，2024年全球TSV市场规模达342.3亿美元，预计2031年增至796.1亿美元（CAGR 13%），其中填充材料成本占比达44%，驱动电镀市场年复合增长率16%。预计2025年中国TSV市场规模占全球25%，2027年国内封装材料市场规模突破600亿元，TSV相关材料（如绝缘层、种子层）成为增长核心。

近年来，国内市场在TVS材料上也有了不小的技术突破，例如深南电路、兴森科技的FC-BGA基板通过华为认证；华海诚科的颗粒状环氧塑封料（GMC）通过HBM封装验证；德邦科技实现集成电路封装材料批量供应。

值得一提的是，TSV关键材料（如绝缘层、种子层）国产化率逐步提升，2025年目标ABF载板15%、键合丝30%、封装树脂25%，2030年目标达50%、70%、60%。当然，一些高端材料（如高纯度球铝、先进基板）仍依赖进口，需加强产学研协同发展。

小结

TSV 填充材料的选择需综合考虑导电性、机械性能、工艺兼容性及成本。随着 3D 集成技术向更高密度、更低功耗发展，材料创新与工艺优化将持续推动 TSV 技术突破，成为半导体产业重要支撑。

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