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引言4 G; M9 j5 L6 x+ ^1 I3 Y
2.5D IC集成已成為高性能計算應用的關鍵封裝技術。本文概述2.5D IC集成、其關鍵組件、制造過程和發(fā)展[1]。
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什么是2.5D IC集成?
$ Y, d) d+ E4 W2 L2.5D 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。# B5 H) N/ o# L- \ e' y
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典型2.5D IC封裝的關鍵組件包括:
3 E; g% j1 q+ W1 d' {多個芯片(如處理器、內存)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! I E9 G2 E) @
6 M4 y! `* Q% c `( m: F9 j" d圖1展示了使用臺積電芯片級晶圓級封裝(CoWoS)技術的典型2.5D IC封裝結構:
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; e ?& Y' ^2 ^7 e$ n2 D. i! `圖1. CoWoS封裝的橫截面視圖,標明關鍵組件" m9 l! b" v6 o
" a: }8 L1 b0 X# r$ I5 C7 P* N9 x1 M2.5D集成的主要優(yōu)勢
1 x/ k8 O7 y) P, G8 l2.5D集成提供了幾個優(yōu)勢:實現(xiàn)異質芯片集成(如邏輯+內存)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的設計提供途徑
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- _% w8 T& Z4 f) B8 ]7 |4 D4 i: q制造過程
" `& J; }1 H9 V% \2.5D IC封裝的關鍵制造步驟包括: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)& r: M7 n$ E4 l3 n6 G
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' D# v' m8 y" a: v7 r t) ]1 T a5 {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:5 _: W. \6 y: k: | e# f8 e
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3 G4 Q- X8 }6 o! g圖2. 在玻璃中介層上創(chuàng)建TGV和RDL的工藝步驟 a3 s; @9 c6 y" o" e; B
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主要挑戰(zhàn)
* h$ f7 ]. N3 V) N& P% P' Y r2.5D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* U& J, [# K+ l: c; z
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熱管理方法
" y% y" V1 q% v* |/ c- B- Y熱管理對高性能2.5D封裝非常重要。一些方法包括:使用導熱界面材料(TIM)集成散熱器和散熱片在中介層中嵌入微流體冷卻通道8 A! R( Y& C/ {% F& L# r! z: q
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圖3. 展示了一種在中介層中嵌入微流體冷卻通道用于LED應用的新方法:
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) B8 `4 M j2 l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; M6 q& g; t- Y) C c( H
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最新發(fā)展和趨勢( ?( g2 S7 g; n, V+ X
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的設計
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1 I* \1 C0 N1 o5 l- ^! {增加中介層尺寸
& W( f5 l1 m3 x: Y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技術的路線圖,說明了中介層尺寸增大的趨勢:/ V- r. F' I) w. B* z
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# W. _- ?' s3 h! o' U4 }; I) H' t圖4. 臺積電CoWoS路線圖,展示中介層尺寸隨時間增加: }0 n; W1 f, M2 N
& l6 i) R$ e7 M/ J. P. E
替代中介層材料, P1 _8 B( ^1 {
雖然硅仍是主要的中介層材料,但對某些應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)的用于天線封裝應用的玻璃中介層:
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圖5.顯示用于天線封裝應用的玻璃中介層8 Z/ a# \! _% e9 z- ?- k
; q8 O, J( [/ L& T7 r0 i集成無源元件3 {! l) E5 B. i
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:& V, e" \; u6 _; M: a- O
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圖6. 顯示帶有集成深溝電容器的CoWoS封裝概念圖- f$ I- Q$ E/ G4 ~+ `4 d2 R
! y. W: M$ C7 _- X7 \" g8 k7 a先進的熱管理
4 |2 G% K3 d& ^! } O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都有芯片的設計,以改善熱性能:
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圖7. 顯示中介層兩側都有芯片的2.5D封裝橫截面視圖
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3 A9 r* X+ k* Q. w! u- G o2 p3 F8 A基于Chiplet的設計
5 t G& j1 u* e) C) X2 M0 I, K2.5D集成使基于Chiplet的設計成為可能,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:; K& h3 i0 W3 {5 M. h6 F) C
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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設計
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* h5 e( V: p( i7 m& k7 w3 v) t商業(yè)案例5 R3 _ r1 D+ H5 G6 @
幾家公司已經將2.5D IC產品商業(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)+ U2 r0 N( O% J
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2 I; V$ y w+ b# g+ C- D$ s圖9顯示了AMD使用2.5D集成的Radeon R9 Fury X GPU:/ k5 |1 F" b1 ~9 U( U
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9 P. h4 P* O8 [! I8 ]" g+ d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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未來展望2 b5 B' X/ t* o% r3 a9 h. E0 X2 W
2.5D集成預計將在高性能計算應用中發(fā)揮越來越重要的作用。值得關注的關鍵趨勢包括:在FPGA和GPU之外的更多主流產品中采用增加基于Chiplet的設計使用集成光電子和射頻組件先進的封裝感知芯片設計技術改進的熱管理解決方案
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3 @' I8 K& l) E' f4 ~, i7 w6 P$ G) L( r* \/ u- u3 S
結論8 v' G/ ^) Y: v& @7 ^: F
2.5D IC集成已成為高性能計算應用的關鍵使能技術。通過允許在硅中介層上集成異質芯片,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集成的能力和應用。隨著半導體行業(yè)向更多異質集成和基于Chiplet的設計邁進,2.5D集成將在下一代電子系統(tǒng)中發(fā)揮關鍵作用。6 A) o% F' f& _; y- ~! ]1 R* `
) T" V j% n7 ]* N, O0 R9 Y$ Z參考文獻
% p0 j2 e# a1 F[1] J. H. Lau, "Semiconductor Advanced Packaging," Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd.,2021.! t5 I0 H( j( w% Y% `' Z
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