2.5D IC集成概述

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
8 G! R) a" ?; U2.5D IC集成已成為高性能計(jì)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(guò)程和發(fā)展[1]。
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什么是2.5D IC集成？
& M$ r9 w6 R' m; W& T! C. T( c2.5D IC集成是指將多個(gè)芯片并排安裝在無(wú)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。
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典型2.5D IC封裝的關(guān)鍵組件包括：

多個(gè)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(diǎn)

連接中介層和封裝基板的C4凸點(diǎn)

封裝基板

用于板級(jí)連接的焊球

2 ^5 J$ A3 y8 E  W1 H# ]圖1展示了使用臺(tái)積電芯片級(jí)晶圓級(jí)封裝（CoWoS）技術(shù)的典型2.5D IC封裝結(jié)構(gòu)：


圖1. CoWoS封裝的橫截面視圖，標(biāo)明關(guān)鍵組件

2.5D集成的主要優(yōu)勢(shì)
) C: p# ]8 [! e( h* k/ j2.5D集成提供了幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：

實(shí)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(jì)提供途徑
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制造過(guò)程
2.5D 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(diǎn)將芯片連接到中介層

使用C4凸點(diǎn)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）
[/ol]
3 l5 o( ^1 M) h) Z, X# `. |4 G3 G& ~圖2. 展示了在玻璃中介層上制造穿�？祝═GV）和RDL的工藝流程，這與硅中介層的工藝類(lèi)似：
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1 t. ~. u( X8 |' h' r( a圖2. 在玻璃中介層上創(chuàng)建TGV和RDL的工藝步驟
2 `  l! c& [6 D0 U3 p9 @
主要挑戰(zhàn)
6 z* t: E0 ]/ g! U2.5D集成的主要挑戰(zhàn)包括：

大型中介層的翹曲控制

熱管理

測(cè)試和已知良好裸片（KGD）要求

硅中介層的成本

微凸點(diǎn)和C4凸點(diǎn)的可靠性
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7 H2 B/ V7 G: m* `熱管理方法
熱管理對(duì)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：
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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

5 @# v6 d# P3 ~, C最新發(fā)展和趨勢(shì)
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(wú)源元件

先進(jìn)的熱管理解決方案

基于Chiplet的設(shè)計(jì)
[/ol]
- E# r' s; n& O, w增加中介層尺寸
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(tái)積電CoWoS技術(shù)的路線圖，說(shuō)明了中介層尺寸增大的趨勢(shì)：

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圖4. 臺(tái)積電CoWoS路線圖，展示中介層尺寸隨時(shí)間增加
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替代中介層材料
) K" M1 {. W! i# q& I% R9 {雖然硅仍是主要的中介層材料，但對(duì)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(kāi)發(fā)的用于天線封裝應(yīng)用的玻璃中介層：
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圖5.顯示用于天線封裝應(yīng)用的玻璃中介層
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; d7 a5 {2 V, H5 |) A* }# R5 _集成無(wú)源元件
為了提高電氣性能并減小封裝尺寸，無(wú)源元件正被集成到中介層中。圖6展示了臺(tái)積電在硅中介層中集成深溝電容器（DTC）的方法：


圖6. 顯示帶有集成深溝電容器的CoWoS封裝概念圖

先進(jìn)的熱管理
新型熱管理解決方案不斷被開(kāi)發(fā)。圖7顯示了在中介層兩側(cè)都有芯片的設(shè)計(jì)，以改善熱性能：


圖7. 顯示中介層兩側(cè)都有芯片的2.5D封裝橫截面視圖

基于Chiplet的設(shè)計(jì)
3 D( h/ M' c. \4 ~2.5D集成使基于Chiplet的設(shè)計(jì)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(gè)較小的裸片的方法：
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/ H( G7 i+ W" z圖8. 顯示賽靈思使用中介層上四個(gè)較小裸片的切片F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)
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* I  b- C& b2 \+ Q, m商業(yè)案例
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(tái)積電合作）

AMD Radeon R9 Fury X GPU（與聯(lián)電合作）

NVIDIA Tesla P100 GPU（與臺(tái)積電合作）
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圖9顯示了AMD使用2.5D集成的Radeon R9 Fury X GPU：
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5 I# R; m% g0 L& [# u圖9. 顯示使用2.5D集成的AMD Radeon R9 Fury X GPU封裝的俯視圖
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未來(lái)展望
0 R1 {$ A+ x" c2.5D集成預(yù)計(jì)將在高性能計(jì)算應(yīng)用中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。值得關(guān)注的關(guān)鍵趨勢(shì)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(jì)使用

集成光電子和射頻組件

先進(jìn)的封裝感知芯片設(shè)計(jì)技術(shù)

改進(jìn)的熱管理解決方案
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3 J+ x0 d  J: {! C結(jié)論
& L" H3 E  @  W2.5D IC集成已成為高性能計(jì)算應(yīng)用的關(guān)鍵使能技術(shù)。通過(guò)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(kuò)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(kuò)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(jì)邁進(jìn)，2.5D集成將在下一代電子系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
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& s+ N+ q7 g" Z參考文獻(xiàn)
4 k# a. c- u( S: x+ [[1] J. H. Lau, "Semiconductor Advanced Packaging," Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd.,2021.

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