2D、2.1D和2.3D集成電路集成技術概述

逍遙設計自動化

引言隨著半導體行業(yè)不斷追求更高性能和更小尺寸，先進封裝技術在多芯片異構集成中變得越來越重要。本文概述2D、2.1D和2.3D集成電路集成方法，重點介紹主要特點、制造過程和應用。


+ c' n2 R" }: h0 A( ]2D集成電路集成
2D集成電路集成指的是將多個芯片并排放置在封裝基板或印刷線路板（PCB）上。這種方法實現(xiàn)了基本的多芯片集成，而無需復雜的3D堆疊。
; }  ]. M% R8 z# U4 l8 D
+ }: E; n0 Q( g' }5 Y" D主要的2D集成方法包括：
- p  O/ o. b4 b  p# ~金線鍵合
金線鍵合是一種傳統(tǒng)方法，使用細金線連接芯片焊盤和基板焊盤：
1 v! R7 z) c, D0 T5 F  N* d1 ]
圖1：展示多芯片金線鍵合
; c% c: I' K3 o- C0 }
倒裝芯片
' o- u* G% S# o4 K在倒裝芯片技術中，芯片表面的焊球直接與基板焊盤鍵合：
+ M& j3 _" o/ k! f2 g, M7 C; ~
圖2.展示多芯片倒裝芯片鍵合


2 j/ T6 E5 |8 L- `金線鍵合和倒裝芯片的組合
0 _, i6 x7 g3 z7 }- ~一些封裝使用金線鍵合和倒裝芯片的組合方式連接不同的組件：

圖3.展示同時使用金線鍵合和倒裝芯片的封裝

扇出型晶圓級封裝（FOWLP）
$ c5 ?/ Y, g- eFOWLP通過將芯片連接重新分布到芯片區(qū)域之外，實現(xiàn)更高的I/O密度。主要有兩種方法：
! v- G: q! U& V2 K5 \

芯片優(yōu)先：先將芯片嵌入模塑料中，然后形成重布線層（RDL）。

芯片后置：先形成RDL，然后再附著芯片。
# D) n. e: k3 `! V: C& X2 {

: D4 j5 j. I! Q  p" U4 u; L1 I圖4.展示扇出型封裝的示例

2.1D集成電路集成
7 {  A* Z0 z: s2.1D集成涉及在標準封裝基板上創(chuàng)建細間距互連，彌補了2D和3D集成之間的差距。
2.1D集成的主要特點：
; U9 ^7 g  {+ s3 R. r

在常規(guī)基板上構建具有細線/間距（L/S）的薄膜層

實現(xiàn)比標準基板更高的互連密度

不需要硅通孔（TSV）

相比完整的3D集成成本更低

2.1D集成方法的例子：
) l0 o' \+ y! H- P" a3 v% l- ?新光電氣的i-THOP
9 n; \4 v" m3 V7 b6 R/ |# r& \+ {0 j新光電氣的集成薄膜高密度有機封裝（i-THOP）在有機基板上使用薄膜層：

圖5. 展示i-THOP結構

0 E0 }) N7 b' }+ p; j& `7 k  q7 J英特爾的EMIB
英特爾的嵌入式多芯片互連橋（EMIB）在封裝基板中嵌入硅橋，用于芯片間連接：
. t1 G7 y& z% Y4 A' D7 O  _$ w
1 m8 R3 w+ r" V3 z圖6. 展示英特爾的EMIB技術

* ~( ]" R6 B# w7 E8 L臺積電的LSI
臺積電的局部硅互連（LSI）在模塑料中嵌入硅橋，用于芯片互連：
7 J! u! B/ H4 s1 S' O6 A
3 P/ s" R0 |& e- }) ~* B( r圖7. 臺積電的LSI概念

( f9 ?, q. _. ]9 s$ A; Y( j
2.3D集成電路集成
2.3D集成指的是在標準封裝基板上使用無核心有機或無機中介層。這種方法提供了比2.1D更高的互連密度，同時避免了使用TSV進行全3D堆疊的復雜性。

2.3D集成的主要特點：
- i  R8 Q  v; c2 x; \1 n

無核心中介層實現(xiàn)更精細的互連

比傳統(tǒng)基板具有更高的布線密度

更好的電氣性能

更小的形狀因子

相比基于TSV的3D集成成本更低

9 f9 n4 @: o& Q2.3D集成的挑戰(zhàn)：

由于缺少核心而導致的翹曲

層壓材料可能出現(xiàn)碎裂

需要新的制造基礎設施
, t6 @  a5 i& c" J% R  c6 O
# S! `0 e& I) |! i
1 A, _+ B) d7 G4 @# `有機中介層制造方法
0 q! D6 R. r" n傳統(tǒng)PCB/SAP工藝
這種方法使用標準PCB制造技術創(chuàng)建有機中介層：

圖8. 新光電氣的有機中介層概念
7 u- B& S/ K9 ?) i8 g
& v# n* W/ g- H, ~; l扇出型（芯片優(yōu)先）工藝
( _" s5 ]# p2 r+ p- }使用芯片優(yōu)先的扇出型晶圓級封裝技術創(chuàng)建中介層：

3 J1 L1 J5 y# c* N2 J  e) L" R* O0 X
圖9. Statschippac的扇出型有機中介層
& x9 J3 Z% m# e+ G6 v2 Y
9 b9 |5 W! [5 G3 N* A扇出型（芯片后置）工藝
0 j/ d! }6 U( B* `6 \+ A& z( O使用芯片后置或RDL優(yōu)先的扇出型工藝制造中介層：
5 Z6 I$ B# U5 h  F4 n; k
# g) X& T1 {4 y6 E, E! H. B/ j
, W; [% m4 Q3 X1 c- j- |* X6 p圖10. 三星的扇出型有機中介層工藝

3 r' i- H+ f- m9 O+ D; _, m6 t案例研究：欣興電子的2.3D RDL中介層
* ^, h8 V$ f, F6 [讓我們詳細研究一個使用欣興電子RDL中介層技術的2.3D集成例子：
測試載體
: R/ H# @* i$ b4 i' x0 J6 i( z測試載體包含兩個芯片：

大芯片：10mm x 10mm x 150μm，3，592個I/O

小芯片：5mm x 5mm x 150μm，1，072個I/O

最小焊盤間距：50μm

( B+ U; Z; d, l) Y6 a

圖11. 測試芯片細節(jié)
' L* R% Q4 o) I9 O5 v, r! @! ^
RDL中介層
! Z. l$ @+ a# K. }8 B$ t7 x! x( y# gRDL中介層特點：
, S4 H( K9 }' Z! A

3個金屬層，線寬/間距分別為2/2μm、5/5μm和10/10μm

在515mm x 510mm玻璃載體上制造

頂部4，664個焊盤用于芯片附著

底部4，039個焊盤用于C4凸點附著
6 B1 R* H! F1 x% N+ S0 F4 c$ {

# i1 C6 E! d  V
圖12. RDL中介層結構
( N! q& ]9 C: d- L8 e& J
" b% d% j6 U# X  p: Y構建封裝基板
使用常規(guī)的2-2-2構建基板：

尺寸：23mm x 23mm x 1.3mm

頂部4，039個焊盤與RDL中介層匹配

底部475個焊盤用于BGA附著



圖13. 構建基板細節(jié)

混合基板形成
! p+ g) a) d- `! _RDL中介層通過C4凸點附著到構建基板上：

在RDL中介層焊盤和基板凸點上涂抹助焊劑

將RDL中介層與基板對齊并放置

回流形成焊點

填充底部填充物
2 i- n+ M2 E- y6 o% R8 C[/ol]
. y/ g  G& {6 d# i) M8 g. P

0 o# M* S+ R. b; [' @$ u圖14. 混合基板的橫截面

) J9 e# W& \" V# M0 g: {最終組裝

從RDL中介層上移除玻璃載體

使用微凸點將芯片附著到暴露的RDL中介層表面

填充底部填充物
( p* @9 g( [. A7 t. K[/ol]

- J# B  `. ?0 {
: Z! @  N! R2 Q圖15. 展示最終封裝的橫截面
* Q! A  S% L% _/ ?
可靠性分析
進行了有限元分析以評估熱循環(huán)可靠性：
; U6 u  q& s/ d5 ~! x" d9 {5 ?

溫度循環(huán)：-40°C至85°C

關鍵區(qū)域：微凸點和C4凸點焊點
6 J/ ]4 l% p. I2 T# g0 f
主要發(fā)現(xiàn)：
! c# y1 e) f: z

每循環(huán)最大累積蠕變應變：5.93%（在微凸點中）

每循環(huán)最大蠕變應變能密度：2.63 MPa（在微凸點中）

微凸點焊點經(jīng)歷的應變是C4凸點的4-5倍

整體結構在大多數(shù)操作條件下預期可靠
* l+ N' _' y5 U5 G$ w) K
- O# e# U1 q* a! N" o% i
5 u2 N7 B5 i; H+ L( b/ M% C+ K圖16. 累積蠕變應變結果

結論
2D、2.1D和2.3D集成電路集成技術為異構集成提供了一系列解決方案，平衡了性能、成本和可制造性。2D集成仍被廣泛使用，但2.1D和2.3D方法在高性能應用中正在獲得關注。隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，這些中間集成級別將在傳統(tǒng)封裝和完整3D集成之間發(fā)揮關鍵作用。


: b1 Y4 {; b1 v& F參考文獻
5 ^) J. M! `& [* Z) E4 x# gJ. H. Lau, "Semiconductor Advanced Packaging," Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021.


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