2024年国家科学进步奖提名项目

2018年国家科学进步奖提名项目

公示内容

一、项目名称：高密度三维系统级封装关键技术研究及应用 二、提名单位意见：

该项目针对三维系统级封装的关键技术，结合国内封装企业最迫切的技术需求，对其中的关键技术和共性技术进行了研究，重点突破了基于硅通孔（TSV）互连的多芯片叠层三维封装和基于埋入器件基板的系统级封装等技术，形成了满足产业发展需求的高密度三维系统级封装技术，建成了先进集成电路封装前瞻性技术研发公共平台。项目组积极探索多种产学研合作新模式，牵头组织了 TSV 技术攻关联合体，实现了 CPU 芯片封装的国产化，高速光电集成等技术实现了成果转化。

该项目获授权发明专利101项，软件著作权7项，制订国家标准3项，形成了自有知识产权体系。获2016年北京市科学技术奖二等奖。

同意提名2018年国家科学技术进步奖二等奖。

三、项目简介：

我国是集成电路的消费大国，但目前我国集成电路封装技术仍然相对薄弱，服务于中下游产品的低端封装技术制约了产业整体发展水平。本项目在科技部、国家科技重大专项的支持下，围绕基于 TSV 的三维封装、系统级封装等关键技术，开展了设计方法与工具、基板材料与工艺、封装可靠性、测试等共性技术的研究。突破了一系列关键技术瓶颈，具备自主知识产权，构筑了布局较完整的技术体系。主要技术创新点如下：

1）高端高密度芯片封装技术 项目实现了高端高密度芯片系统级封装技术，于 2010 年完成了第一款国产 CPU 芯片的封装 2011 年进一步开发两款国产新型 CPU 封装产品，通过各项产业化标准检测，已成功实现批量生产。 2）高密度光电高速集成技术 项目开发了一款 40G QSFP 有源光缆产品，符合国际相关标准，集成高速传输全光 QSFP 收发一体功能，能够实现高速率、高密度、高可靠的数据传输，同时具有低功耗、可热插拔、低成本等产品优势。

3）新型埋容式电容复合材料 项目研发了铁电/环氧基复合材料作为电介质的埋容材料，电容密度 6nF2/in2，抗剥离强度 0.6kN/m，满足 X7R 电容器标准。自主研发了“配方-工艺-制作设备”成套工艺，所开发设备可实现电介质浆料的连续涂布、烘干和复合，已进入中试生产阶段。

4）BGA 焊球高度光学测量设备 项目提出了基于阴影法的 BGA 焊球高度测量方法，以 BGA 球高度一致性光学识别方法为基础搭建原理实验平台。面向用户制作样机，并在企业生产线上进行了试用和评估，测试效果反馈良好。

5）基于 TSV 的三维封装成套工艺 项目开发了两套高效率、低成本的TSV三维封装成套工艺，即基于 3D 封装的 TSV 三维10层堆叠工艺和基于2.5D 封装应用的转接板工艺，并进行了相应的样品研发和试验验证，降低整体工艺的复杂性，提高工艺成品率。

6）系统级封装研发平台 项目建成了设备完善、流程成熟的开放式先进封装实验室，包括有机基板实验室、微组装实验室、可靠性与失效分析实验室、电学测试实验室等。已为国内外单位、企业提供设计、加工、验证服务多项，解决了多项先进封装技术难题。

该项目获授权发明专利101项，软件著作权7项，制订国家标准3项。项目组积极探索多种产学研合作新模式，牵头组织了 TSV 技术攻关联合体，与企业合作建立了多个联合实验室和国家工程实验室。基于该项目的优秀成果，中科院微电子所与国内最大的四家封装企业共同发起成立了华进半导体封装先导技术研发中心有限公司，以公司化形式创新开展更深入的产学研工作。该项目部分成果获北京市科学技术奖二等奖。

四、客观评价：

1.验收评价：

2015年12月2日至3日，国家科技重大专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”（以下简称02重大专项）实施管理办公室和总体专家组，组织任务验收专家组在北京对02重大专项项目“高密度三维系统级封装的关键技术研究”（项目编号：2009ZX02038）进行了任务验收。验收意见如下：“项目完成了合同任务书规定的研发内容，各项技术指标经过用户验证和现场测试，达到合同考核要求；项目共申请发明专利144项（其中国内发明专利135项，国际发明专利申请9项），完成了知识产权指标；项目实施期间，培养了博士61人、硕士生143名，项目研发人员总数256人，完成人才培养目标；项目建立了系统级封装实验线，该实验线具备基板制作、封装、测试及失效分析能力，并建立了实验室管理系统软件，完成了平台建设指标”。（附件*）

2.获奖情况：

该项目获2016年北京市科学技术二等奖。（附件*） 3.典型用户评价等：

（1）客户使用报告——龙芯Loongson2G plus 处理器封装（附件*） “中国科学院微电子研究所集成封装研究室为北京龙芯中科技术服务中心有限公司进行了龙芯 Loongson2G plus 处理器的芯片封装设计项目。”

“本次龙芯芯片封装设计项目是为了验证龙芯 Loongson2G Plus 处理器芯片的逻辑功能和指标性能。根据公司的要求，集成封装研究室按时完成了基板设计、仿真优化和封装打线的任务，并在芯片验证板上进行了IO连通功能测试，测试结果符合要求，效果令人满意。”

“在项目研制过程中，集成封装研究室为保质量，在基板设计中反复仿真优化，全程跟踪基板的生产，并进行了大量的预打线封装试验，终于在短时间内出色地完成了高难度的芯片基板设计、生产和封装打线任务，通过了芯片验证板的测试。”

（2）客户使用报告——龙芯 L1A SoC/L1B SoC 封装（附件*）

“中国科学院微电子研究所集成封装研究室为龙芯中科技术有限公司进行了龙芯 L1A SoC/ L1B SoC 的芯片封装设计项目。”

“本次龙芯 L1A SoC/ L1B SoC 封装项目是为芯片产品量产的设计服务，为 WB-BGA 封装形式。根据公司的要求，集成封装研究室在合同期内按时完成了6层基板的设计、仿真优化和封装打线的任务。从成本方面考虑，又优化成4层板的设计方案，并针对方案做相应的仿真分析。最终在验证板上进行了功能测试，测试结果符合要求，效果令人满意，可以通过项目验收。”

“在项目研制过程中，集成封装研究室为保质量，在基板设计中反复仿真优化，全程跟踪基板的生产，并进行了大量的预打线封装试验，克服了 SoC 芯片中电压域多带来的信号完整性问题。”

五、推广应用情况：

基于该项目建立的系统级封装研发平台为企事业单位提供了多项技术服务或技术转移，服务单位包括昆山西钛微电子科技有限公司、中国科学院半导体研究所、北京纳米能源与系统研究所、韩国三星公司、国网智能电网研究院、江苏长电科技股份有限公司、华为技术有限公司等国内外知名企业。基于该项目的研究成果，成功孵化了锐华光电技术有限公司；另外，由于该项目的优秀表现和在业界产生的广泛影响，国家专项继续投入，中科院微电子所无形资产出资2500万元，与国内四大封装厂共同孕育组建了华进半导体封装先导技术研发中心有限公司。

主要应用单位情况（不超过15个）

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 应用单位名称 北京天中磊智能科技有限公司 昆山西钛微电子科技有限公司 广东成德电路股份有限公司 中国科学院半导体研究所 应用技术 技术服务 技术服务 技术服务 技术服务 应用起止时间 2013.01.01-2013.12.31 2013.01.01-2013.12.31 2013.01.01-2013.12.31 2013.01.01-2013.12.31 2014.01.01-2014.12.31 2014.01.01-2014.12.31 2014.01.01-2014.12.31 2014.01.01-2014.12.31 2015.01.01-2015.12.31 2015.01.01-2015.12.31 2012.9-2014.12.31 应用单位 联系人及电话 朱宁辉 13426063451 周浩 0512-50353860 陈良0757-28086608 吴南建 010-82304210 王志玲010-51798180-863 010-82854800 Dingbang Mai +82-31-208-4981 聂京凯 010-66601555 周健 13806167200 邓佳 028-62844181 顾小华，0510-6667 0376 封装 18.87万元，TSV共性技术研发 15.09万元，基板加工及应用 8.55万元，基板设计及微组装 9.43万元，电源转换芯片测试 0.25万元，微组装技术 58.31万元，TSV关键技术研究 4.72万元，可靠性评价研究 141.51万元，国家工程实验室 75.21万元，处理器光接口合作 2500万元，作价投资 应用情况 16.04万元，智能电表圣邦微电子（北京）股份有限公司 技术服务 北京纳米能源与系统研究所 韩国三星公司 国网智能电网研究院 江苏长电科技股份有限公司 技术服务 技术服务 技术服务 技术服务 技术服务 技术转让 10 华为技术有限公司 11 华进半导体封装先导技术研发中心有限公司

六、主要知识产权证明目录：（不超过10项，前3项为核心知识产权）

序知识产权类号 别 1 发明专利 知识产权具体名称 国家 授权号 ZL201110131532.5 中国 ZL201110070503.2 中国 ZL201210043664.7 授权日期 证书编号 权利人 中国科学院微电子研究所 中国科学院微电子研究所 中国科学院微电子研究所 发明人 万里兮，于中尧 赵宁，万里兮，曹立强 李君，万里兮 周云燕，宋4 发明专利 一种压力传感器的封装结构及方法 中国 ZL201310439556.6 2015-07-08 1714898 中国科学院微电子研究所 中国科学院微电子研究所 中国科学院微电子研究所 见，王启东，曹立强，万里兮 5 发明专利 制作具有多电极超低电感的多槽PN 结电容器的方法 中国 ZL200910244525.9 ZL200910077670.2 2013-07-31 1246639 万里兮，吕壵，王惠娟 吕垚，李宝霞，万里兮 蔡坚，王美国 US9258894B2 2016-02-09 / 清华大学 谦，刘子玉，胡杨 有效 有效 有效 有效 专利有效状态 有效 一种有机基板的制造方法 一种具有周期叠层铁电薄膜的电容及其制备方法 带有 EBG 的屏蔽结构、3D 封装结构及其制备方法 中国 2013-07-31 1244518 2 发明专利 2015-11-18 1840298 3 发明专利 2016-02-03 1943261 有效 6 发明专利 一种沟道式电容器的制作方法 中国 Bolometer and preparation method thereof 2011-05-11 776318 有效 7 发明专利 马盛林，朱8 发明专利 Three dimensional vertically 美国 US8836140B2 interconnected structure 2014/9/16 北京大学 蕴晖，孙新，金玉丰，缪旻 9 发明专利 测量TSV铜柱弯曲模量和屈服应力的方法 复合电介质材料、采用其制作的10 发明专利 覆铜箔半固化片以及覆铜箔层压板 中国 中国 ZL201310261070.8 ZL201110044550.X 2016.01.13 2015092501014750 1484234 复旦大学 中国科学院深圳先进技术研究院 王珺，庞钧文，戴维 孙蓉，曾小亮，于淑会 有效 有效 2014.09.17 有效 七、主要完成人情况（不超过10人）：

排序 姓名 主要贡献 项目负责人，代表性专利 1、2、3、4、5、6 的发明人。研究三维系统级封装的关键技术，重点突破基于 TSV 的多芯片叠层三维封装和1 万里兮 基于埋入器件基板的系统级封装等技术，解决高密度三维系统级封装面临的设计、测试和可靠性等新问题，形成满足产业发展需求的系统级封装技术。附件* 课题负责人，代表性专利2、4的发明人。作为课题负责人，开展 TSV 关键技术的研发，并主持设计制造了国内首款超过 1000 管脚的高2 曹立强 密度倒装芯片封装产品并在国内首次实现量产，完成了用于高性能计算机服务器多 CPU 高速互连的专用交换芯片与龙心 CPU 的完全国产化的高密度封装（已用于曙光 5000A 与 6000 高性能计算机服务器），获得所长特别奖。附件* 子课题负责人，代表性专利7的发明人，在该项目中，主要承担了小孔径高深宽比硅通孔（TSV）互连关键技术、窄节距倒装芯片凸点成型技术以及系统级封装应用原型样品的开发与研究。设计和完3 蔡坚 成了含有 5 微米直径 TSV 互连的三层堆叠样品，获得了预期的互连特性；采用模板印刷和电镀的方法，通过优化，获得了超窄节距的倒装凸点；参与完成的球形内窥镜原型样品体现了该项目涉及的多项系统级封装工艺的应用。附件* 子课题负责人，代表性专利8的发明人，TSV关键技术的研发，完4 陈 兢 成发明专利8技术原型系统性验证，在特种存储器IC三维集成演示应用，形成系统应用方案。附件* 北京大学 北京大学 教授 MEMS副所长 清华大学 清华大学 副研究员 中国科学院微电子研究所 中国科学院微电子研究所 研究中研究员 心主任 中国科学院微电子研究所 中国科学院微电子研究所 副总工研究员 程师 工作单位 完成单位 职称 职务 5 王珺 子课题项目负责人，发明了针对硅通孔中电镀填充的铜柱微结构，进行弹性模量和屈服强度测试的方法。附件* 子课题负责人，代表性专利10的发明人，发明了高介电、高Tg的复合电介质材料、采用其制作的覆铜箔半固化片以及覆铜箔层压板成套技术。对主要发明点0005-0028都做出了贡献。附件* 子课题负责人，代表性专利 1 的发明人。负责建立并管理三维系统封装实验平台，负责仪器设备的调研、采购招标、仪器设备的安装调试和验收，负责实验平台的技术队伍的建设和管理，包括人员招聘复旦大学 中国科学院深圳先进技术研究院 复旦大学 中国科学院深圳先进技术研究院 副教授 无 研究中6 孙蓉 研究员 心主任 研究中中国科学院微电子研究所 中国科学院微电子研究所 高级工程师 心副主任 7 于中尧 和培训；实验室规章制度的建立和执行。负责有机基板技术的研发，开发出高密度三维封装基板，最小线宽线距达到 15um/15um；开发出低成本半加成技术，该技术使高密度封装基板加工制造材料成本降低 50%以上，该技术已经达国际先进水平。附件* 子课题负责人，.提出了三维封装中高密度 BGA 微焊球高度测量的难题，提出了阴影法微焊球高度测量方法，并开发了用户样机，实现了晶圆级微焊球的高速（40焊球/秒）、高精度（绝对误差小于 2 微米）测量；8 王福亮 针对三维叠层芯片封装互连中的大跨度引线键合难题，开发低弧大跨度引线成型的动力学仿真软件，实现 M 弧线等复杂大跨度引线的所见即所得设计，提出了新型大跨度、低弧度弧线，将复杂引线的时间缩短一半。附件* 子课题负责人，子课题负责人，发明了对硅通孔故障的二分法检中南大学 中南大学 教授 9 李慧云 测方法, 发明了对硅通孔进行动态规划布线的方法,及三维芯片中的布线路径优化方法。附件* 中国科学院深圳先进技术研究院 中国科学院深圳先进技术研究院 研究员 中心主任 子课题负责人，代表性专利 4 的发明人。主导或参与了该项目中多款高密度封装样品的结构设计、电学设计、仿真和优化，并进行了功10 周云燕 能性测试；基于广义传输线理论，开展了系统级封装仿真工具的开发，并应用于高密度封装样品的仿真工作中，与主流仿真软件对比，得到了较好的一致性和仿真效率。附件* 中国科学院微电子研究所 中国科学院微电子研究所 副研究员

八、主要完成单位及创新推广贡献

（1）中国科学院微电子研究所，第一完成单位

该项目的组织领导单位，承担了项目中大部分研发任务，如高端高密度芯片封装、高密度光电高速集成产业化等，并成立了系统级封装研发平台，牵头组织了包含国内龙头企业在内的三十几家企业和高校/研究所参与的 TSV 技术攻关联合体。同时，与企业合作建立了多个联合实验室，如“中科华天西钛先进封装联合实验室”，“高密度集成电路封装技术国家工程实验室”等，孵化了成都锐华光电技术有限公司，生产国内首款全光 QSFP 收发一体高速光缆。

（2）清华大学，第二完成单位

对晶圆级硅通孔（Through Silicon Via, TSV）互连中的深孔制备与填孔技术进行了工艺研究，获得直径 5 微米的 TSV 互连；实现了绝缘层、扩散阻挡层、导电材料的填充,完成了相关工艺文件与规范；在高密度互连倒装凸点成型中，分别利用印刷和电镀成型方法获得节距为 90 微米的焊料凸点和节距为 20 微米铜凸点；参与了该项目中的高密度三维系统级封装技术应用原型的制作与演示。

（3）北京大学，第三完成单位

开发了 TSV 关键工艺的建模和仿真方法，建立了相应的仿真环境。开发了并行化深孔刻蚀的工艺方案，完成了直径 5um 深刻刻蚀。开发了 TSV 加工过程中的电性能在线检测平台。研究了三维封装集成工艺研究并得到了 TSV 10 层堆叠样品。形成了多层级互连电磁场建模、仿真及电参数提取用设计工具及规范；设计、搭建电互连低—高频、频—时域测试系统，验证测试方法并形成测试规范。

（4）复旦大学，第四完成单位

承担了针对 TSV、WLCSP、POP 等先进封装器件可靠性分析方法、计算模拟、材料研究、封装器件可靠数据库等相关的内容。通过项目研究，发展总结了高密度封装器件的可靠性、失效分析方法，为企业分析了多个案例，解决了关键问题。方法已形成了一些规范，有明确的应用参考价值。研究开发了高密度先进封装数据库网络应用软件，将先进封装可靠性分析的重要模块进行整合，可以通过网络远程查询、操作数据，形成了一套完整的应用框架。

（5）中国科学院深圳先进技术研究院，第五完成单位

设计了数字芯片封装内建自测试方案，完成验证芯片的设计；对混合信号芯片和SIP 可测性与测试方法进行了研究，实现测试工具和软件，形成集成化、标准化的测试平台。完成了厚度6μm、12μm 、宽度600mm的埋容产品的中试，抗剥离强度0.6～0.8N/mm；埋入电容密度高于300nF/cm2 (1kHz)；基于所开发的磁性纳米浆料设计和制作了二维电感，130nH（23.25MHz）；利用磁控溅射方法在铜箔上沉积了厚度变化小于5%的Ni-Cr埋阻薄膜。

（6）中南大学

研究三维封装中高密度 BGA 微焊球高度测量技术，提出了阴影法微焊球高度测量方法，并开发了用户样机，实现了晶圆级微焊球的高速（40 焊球/秒）、高精度（绝对

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误差小于 2 微米）测量；针对三维叠层芯片封装互连中的大跨度引线键合难题，开发了低弧大跨度引线成型的动力学仿真软件，实现了M 弧线等复杂大跨度引线的所见即所得设计，提出了n-loop 等新型大跨度、低弧度弧线，将复杂引线的时间缩短了一半。

九、完成人合作关系说明：

该项目由中国科学院微电子研究所、北京大学、清华大学、复旦大学、中国科学院深圳先进技术研究院、中南大学等相关高校研究所通过产学研合作的形式共同完成。项目在国家02科技重大专项的支持下，从2009年开始，由中国科学院微电子研究所牵头，联合清华大学、北京大学、复旦大学等合作单位，承担了“高密度三维系统级封装的关键技术研究（2009ZX02038）”等项目的研发，在TSV、多芯片堆叠、基板埋入等三维封装关键技术开展核心创新技术研究。

项目参与单位和各完成人团结紧密，分工明确，为项目的成功实施和完成共同作出了贡献。中科院微电子所的万里兮、曹立强、于中尧、周云燕、清华大学的蔡坚、北京大学的陈兢、复旦大学的王珺、中科院深圳先进院的孙蓉和李慧云、中南大学王福亮共同完成了高密度三维系统级封装的关键技术研究的项目立项（见附件任务合同书）。万里兮和于中尧共同完成了代表性专利1，万里兮和曹立强共同完成了代表性专利2，万里兮、曹立强和周云燕共同完成了代表性专利4。中科院微电子所的万里兮、曹立强共同合作，完成华进半导体封装先导技术研发中心有限公司的产业应用推广（推广证明）。万里兮、曹立强、蔡坚、陈兢、王珺、孙蓉、于中尧、王福亮、李慧云、周云燕共同获得了2016年度“北京市科学技术奖二等奖”（获奖证明）。此外，万里兮、曹立强和于中尧共同建立了系统级封装实验线，制定了相应的工艺规范（项目验收材料）。 上述项目关系介绍准确无误，证明材料真实可靠，并得到各参与单位和人员的共同确认。

上述项目关系介绍准确无误，证明材料真实可靠，并得到各参与单位和个人的共同确认。

第一完成人：

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完成人合作关系情况汇总表 序号 合作合作者 （项目排名） 万里兮/（1）、曹立强/（2）、1 共同立项 蔡坚/（3）、陈兢/（4）、王珺/（5）、孙蓉/（6）、2009.1-2014.12 于中尧/（7）、王福亮/（8）、李慧云/（9）、周云燕/（10） 2 3 4 共同知识产权 共同知识产权 共同知万里兮/（1）、于中尧/（7） 2013年 万里兮/（1）、曹立强/（2） 2013年 万里兮/（1）、曹立强/（2）、2013年 代表性专利1 代表性专利2 代表性专利4 共同组建了华5 企业应用推广 万里兮/（1）、曹立强/（2） 2012.-2014 进半导体封装先导技术研发中心有限公司 万里兮/（1）、曹立强/（2）、6 共同获奖 蔡坚/（3）、陈兢/（4）、王珺/（5）、孙蓉/（6）、2010.1-2016.1 于中尧/（7）、王福亮/（8）、李慧云/（9） 北京市科学技术二等奖 获奖证书 附件** 应用证明 附件** 发明专利 附件 发明专利 附件** 发明专利 附件** 高密度项目及分工任务书 任务书 附件** 方式 合作时间 合作成果 证明 材料 备注 识产权 周云燕/（10） 承诺：本人作为项目第一完成人，对该项目完成人合作关系及上述内容的真实性负责，

特此声明。

第一完成人：

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