2.5D IC集成概述

逍遙設(shè)計自動化

引言
' K  h/ `6 _" I' K0 K2 s2.5D IC集成已成為高性能計算應(yīng)用的關(guān)鍵封裝技術(shù)。本文概述2.5D IC集成、其關(guān)鍵組件、制造過程和發(fā)展[1]。
# {  \, N2 f( Z) ?% a/ A

. Q0 n$ w* T- F& Z+ e什么是2.5D IC集成？
# ^3 ^7 t1 ^: b4 I6 J- P2.5D IC集成是指將多個芯片并排安裝在無源中介層上，然后將中介層附著在封裝基板上的封裝方法。中介層通常由硅制成，包含硅通孔（TSV）和重分布層（RDL），用于提供芯片之間以及與下方封裝基板的電連接。

/ _$ r9 D& R) q6 o1 E典型2.5D IC封裝的關(guān)鍵組件包括：
; E! f6 B1 G' j- ?

多個芯片（如處理器、內(nèi)存）

帶有TSV和RDL的硅中介層

連接芯片和中介層的微凸點

連接中介層和封裝基板的C4凸點

封裝基板

用于板級連接的焊球

圖1展示了使用臺積電芯片級晶圓級封裝（CoWoS）技術(shù)的典型2.5D IC封裝結(jié)構(gòu)：
4 D! E/ [: D. q. Q$ x& A/ a

圖1. CoWoS封裝的橫截面視圖，標明關(guān)鍵組件

2.5D集成的主要優(yōu)勢
2.5D集成提供了幾個優(yōu)勢：

實現(xiàn)異質(zhì)芯片集成（如邏輯+內(nèi)存）

提供非常高帶寬的芯片間通信

允許大型芯片分割以提高良率

比3D堆疊提供更好的熱管理

為基于Chiplet的設(shè)計提供途徑
+ m7 ~+ h6 ?- O" k: U3 }5 ][/ol]
9 U: C  \" u2 G6 v( [% @& k制造過程
3 k+ P( L8 E$ Q4 w2.5D IC封裝的關(guān)鍵制造步驟包括：

制造帶有TSV和RDL的硅中介層

使用微凸點將芯片連接到中介層

使用C4凸點將中介層連接到封裝基板

灌注和固化底填材料

安裝散熱器/蓋子（如果使用）
% Y6 S+ E. k- o& n4 n( S! a[/ol]
圖2. 展示了在玻璃中介層上制造穿玻孔（TGV）和RDL的工藝流程，這與硅中介層的工藝類似：
' L: F& f5 t$ Q
, U# s8 G8 \" B6 s
. J. ^; k) K7 H5 Y: l0 n; n9 u- i圖2. 在玻璃中介層上創(chuàng)建TGV和RDL的工藝步驟

主要挑戰(zhàn)
2.5D集成的主要挑戰(zhàn)包括：

大型中介層的翹曲控制

熱管理

測試和已知良好裸片（KGD）要求

硅中介層的成本

微凸點和C4凸點的可靠性
! O; `7 r9 f" H! ~+ B1 p7 \[/ol]
5 B) O. V/ e( L7 j熱管理方法
熱管理對高性能2.5D封裝非常重要。一些方法包括：

使用導(dǎo)熱界面材料（TIM）

集成散熱器和散熱片

在中介層中嵌入微流體冷卻通道
[/ol]
圖3. 展示了一種在中介層中嵌入微流體冷卻通道用于LED應(yīng)用的新方法：
% [( I. {9 D4 J  G

" _( [2 j# N' \圖3. 帶有嵌入式微流體冷卻通道的2.5D封裝橫截面視圖，用于LED
" O5 k1 L+ D' N1 {& p
5 D1 T3 ~0 r  }9 D. d) c+ J# A4 o最新發(fā)展和趨勢
2.5D集成的一些最新發(fā)展包括：

增加中介層尺寸以支持更多芯片

使用玻璃等替代中介層材料

在中介層中集成無源元件

先進的熱管理解決方案

基于Chiplet的設(shè)計
% s) z; [  ^0 [- _: E[/ol]
增加中介層尺寸
8 L8 [* ^! _; `/ W為了支持更多和更大的芯片集成，中介層尺寸一直在穩(wěn)步增加。圖4顯示了臺積電CoWoS技術(shù)的路線圖，說明了中介層尺寸增大的趨勢：


; t- E4 ?8 W$ O7 A$ Y9 ?# b5 R圖4. 臺積電CoWoS路線圖，展示中介層尺寸隨時間增加
7 K- T; [8 `- \% a# \& f
  p2 Y* I) G" K1 v替代中介層材料
; ^$ t- B1 f) E# f! J& Y3 j& {: {( K- \雖然硅仍是主要的中介層材料，但對某些應(yīng)用正在探索玻璃等替代材料。圖5顯示了大日本印刷和旭硝子開發(fā)的用于天線封裝應(yīng)用的玻璃中介層：

  ^7 P1 f3 p; f' X4 w+ [
1 r( k5 T1 x4 j- Y: R9 L; S  r6 }& @6 i圖5.顯示用于天線封裝應(yīng)用的玻璃中介層
( `' J4 ]% D0 M
7 d- t, ^3 W3 A( U+ U1 L集成無源元件
3 |3 m, h* S2 N! x為了提高電氣性能并減小封裝尺寸，無源元件正被集成到中介層中。圖6展示了臺積電在硅中介層中集成深溝電容器（DTC）的方法：
1 q/ k8 R/ M" e$ g, t

圖6. 顯示帶有集成深溝電容器的CoWoS封裝概念圖

* R0 h4 Y" J0 R0 Y1 P- J8 Y2 y& r先進的熱管理
新型熱管理解決方案不斷被開發(fā)。圖7顯示了在中介層兩側(cè)都有芯片的設(shè)計，以改善熱性能：


' D9 [6 T0 Z5 L( l圖7. 顯示中介層兩側(cè)都有芯片的2.5D封裝橫截面視圖
# U+ S3 E: Z) O  f" [6 o- c  I* s/ z4 c% r
0 f) z, |* }( z+ B$ ^7 L基于Chiplet的設(shè)計
2.5D集成使基于Chiplet的設(shè)計成為可能，大型SoC被劃分為更小的Chiplet。圖8展示了賽靈思將大型FPGA劃分為四個較小的裸片的方法：


- h0 V! }1 w3 |/ J) d7 q圖8. 顯示賽靈思使用中介層上四個較小裸片的切片F(xiàn)PGA設(shè)計

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商業(yè)案例
& O0 k8 ^5 U8 V" Y8 [. `" A幾家公司已經(jīng)將2.5D IC產(chǎn)品商業(yè)化：

賽靈思Virtex-7 FPGA（與臺積電合作）

AMD Radeon R9 Fury X GPU（與聯(lián)電合作）

NVIDIA Tesla P100 GPU（與臺積電合作）
[/ol]
0 c5 Z5 p. W7 d! T8 h) L9 m: P圖9顯示了AMD使用2.5D集成的Radeon R9 Fury X GPU：


6 u' A! I9 c* k2 G, t圖9. 顯示使用2.5D集成的AMD Radeon R9 Fury X GPU封裝的俯視圖
( L, R% U) E2 H2 R1 ?
2 ]6 {7 J4 c, E# F( K1 b未來展望
& u' V1 M! M' V) Z& |( M2.5D集成預(yù)計將在高性能計算應(yīng)用中發(fā)揮越來越重要的作用。值得關(guān)注的關(guān)鍵趨勢包括：

在FPGA和GPU之外的更多主流產(chǎn)品中采用

增加基于Chiplet的設(shè)計使用

集成光電子和射頻組件

先進的封裝感知芯片設(shè)計技術(shù)

改進的熱管理解決方案
[/ol]
5 u. l4 t6 q7 M/ G/ i
結(jié)論
2.5D IC集成已成為高性能計算應(yīng)用的關(guān)鍵使能技術(shù)。通過允許在硅中介層上集成異質(zhì)芯片，2.5D集成為超越傳統(tǒng)2D集成限制的持續(xù)性能擴展提供了一條途徑。盡管在成本和熱管理方面仍存在挑戰(zhàn)，但持續(xù)的發(fā)展正在擴大2.5D集成的能力和應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體行業(yè)向更多異質(zhì)集成和基于Chiplet的設(shè)計邁進，2.5D集成將在下一代電子系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

參考文獻
[1] J. H. Lau, "Semiconductor Advanced Packaging," Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd.,2021.
: G" B& \) `1 p. p( }

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