2.5D IC集成概述

逍遙設(shè)計(jì)自動化

引言
! r7 Z$ v) W6 G* c$ W0 [5 F. i* L2.5D 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、制造過程和發(fā)展[1]。
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1 d  C% v. |1 \% r8 g8 {- P4 v! J什么是2.5D IC集成？
; d5 u) N+ f# i# k" D2 I; c8 _3 M2.5D 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。

典型2.5D IC封裝的關(guān)鍵組件包括：
, z3 \% f# R5 A# r2 ?- ~

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(diǎn)

連接中介層和封裝基板的C4凸點(diǎn)

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)：
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圖1. CoWoS封裝的橫截面視圖，標(biāo)明關(guān)鍵組件
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2.5D集成的主要優(yōu)勢
% S! H! F+ d7 d7 y4 L. S, F/ R) M( G2.5D集成提供了幾個優(yōu)勢：

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]
7 _3 C5 P# [  [- ]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：


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(diǎn)和C4凸點(diǎn)的可靠性
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熱管理方法
" Y+ X: z; n/ X4 v0 g9 \# d* Q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
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) L( [' d3 n( B3 j, _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

最新發(fā)展和趨勢
$ w; O; M" M* R$ D5 f2 Z- b2.5D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(jìn)的熱管理解決方案

基于Chiplet的設(shè)計(jì)
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( F' b0 D) ^6 k/ n/ I$ \! @1 \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顯示了臺積電CoWoS技術(shù)的路線圖，說明了中介層尺寸增大的趨勢：
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圖4. 臺積電CoWoS路線圖，展示中介層尺寸隨時間增加

替代中介層材料
8 c# W* C3 |3 @: m0 B# @/ Y+ a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：

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* q' G' u, _: l& D2 ^" o圖5.顯示用于天線封裝應(yīng)用的玻璃中介層

6 ]# [+ c) I7 Q, |' n! ]. f6 o# T! O集成無源元件
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：
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* A* s, z8 V7 G圖6. 顯示帶有集成深溝電容器的CoWoS封裝概念圖

7 C; ^+ L: l7 O9 W3 ?先進(jìn)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(jì)，以改善熱性能：


& e+ a7 U7 ?& ]  K' E2 R圖7. 顯示中介層兩側(cè)都有芯片的2.5D封裝橫截面視圖

3 G! Y" s/ R  C* N/ W基于Chiplet的設(shè)計(jì)
6 @9 u0 B8 V8 i- A2.5D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劃分為四個較小的裸片的方法：

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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(jì)
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' C# W  `$ }9 _: D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）
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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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8 q# x0 u: R6 y4 h  j圖9. 顯示使用2.5D集成的AMD Radeon R9 Fury X GPU封裝的俯視圖

5 ~/ n' p- P+ m+ o* l8 n未來展望
2.5D集成預(yù)計(jì)將在高性能計(jì)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(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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結(jié)論
7 z& E9 Q3 s2 @& J( Z2.5D 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。
. C, E. A; K, B2 A9 P5 m
參考文獻(xiàn)
[1] J. H. Lau, "Semiconductor Advanced Packaging," Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd.,2021.

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0 }5 _5 r6 u  P深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
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