2.5D IC集成概述

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引言
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。

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

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：
* X# d9 g: r( c) w8 r
# ^. T) {1 s$ G& S) g
; 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

" 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
6 j; l8 [" \0 g; n0 W$ @& r& Y[/ol]
- _% 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）
[/ol]
' 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：


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

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
[/ol]
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
[/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應用的新方法：
5 z; y1 C, Q) r3 w& `6 G. L
6 a, ]* {& s- i" I5 J
) 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

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的設計
! C; `  p( g2 ^[/ol]
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：

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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

替代中介層材料
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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8 v1 D  a% b+ r
圖5.顯示用于天線封裝應用的玻璃中介層

; q8 O, J( [/ L& T7 r0 i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：


圖6. 顯示帶有集成深溝電容器的CoWoS封裝概念圖

! 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：
4 N2 u5 _6 W3 p, }* W: b$ J

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：

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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
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）
[/ol]
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：


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
2.5D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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結論
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。

) 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.


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