2.5D IC集成概述

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
  l2 i3 q3 A) |" `. Z( 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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! _( e/ ^/ Z. X. Y: [' p2 U; J什么是2.5D IC集成？
  o6 @& V, u9 z6 g' J0 w5 h  }2.5D 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。
9 [& q, C5 }. _8 _! l5 H7 K9 j: m
5 b- ~% a) C8 n: t  S2 O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

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)：

% ^1 m6 b* F! {' Z+ r) \
& v* K9 Y$ D) Y& V* w4 A0 N; U  N圖1. CoWoS封裝的橫截面視圖，標(biāo)明關(guān)鍵組件

$ z* |2 q' e2 e2.5D集成的主要優(yōu)勢(shì)
2.5D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
[/ol]
制造過(guò)程
- s& R7 x; W" O0 L2.5D 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]
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似：

+ z+ }+ F, C$ e5 I: K& C
/ ]' `4 \8 f4 C: T" J* ~圖2. 在玻璃中介層上創(chuàng)建TGV和RDL的工藝步驟
! o8 K& E& J! s8 l, I4 ^
- F: f/ u$ ~$ Z. g  h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(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
5 n2 U2 ^( I9 `  D[/ol]
. K& @2 y! _3 T8 `1 c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]
) M% m3 ]* O/ S& B7 c/ J! k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：


$ T" o; c' c1 D# R5 |! P! y9 X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
" J: }( M6 l# W8 G3 c# I
最新發(fā)展和趨勢(shì)
8 t3 a- a( e, d- [1 u( X, l4 l5 d2.5D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]
增加中介層尺寸
& w3 \; a9 Q  L0 q6 K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)：

& z9 ~5 Z8 n$ o. s# i  l
# y- w7 T8 K; m  o& p$ _圖4. 臺(tái)積電CoWoS路線圖，展示中介層尺寸隨時(shí)間增加
. V& o& A6 _- H9 I' v
2 p1 Y* ]" x. b: Y2 b替代中介層材料
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發(fā)的用于天線封裝應(yīng)用的玻璃中介層：

( g+ J6 _" d5 m6 i- g
% ~# l3 c' W2 }1 h" ~2 v1 e圖5.顯示用于天線封裝應(yīng)用的玻璃中介層
, u+ h6 _1 \: ]
! P# D, [7 w+ b6 I9 G' S, ?集成無(wú)源元件
! n6 X9 d9 w! h0 m7 a+ ~% \* k$ V; u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：


$ T& A" w5 k4 Y  o( k3 @  V圖6. 顯示帶有集成深溝電容器的CoWoS封裝概念圖
3 ~- C2 i+ L- [
' P8 F  O, f& n$ ]4 b$ [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：

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圖7. 顯示中介層兩側(cè)都有芯片的2.5D封裝橫截面視圖

' O; |1 F3 |% @, i! H# L基于Chiplet的設(shè)計(jì)
( a. `, S" {! ^6 ?- g1 K2.5D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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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)

" j  G% ?& O4 W, m; S
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）
[/ol]
) i5 y/ c' q/ C6 r圖9顯示了AMD使用2.5D集成的Radeon R9 Fury X GPU：

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" l! N9 ~2 Z8 Q" w$ @5 v圖9. 顯示使用2.5D集成的AMD Radeon R9 Fury X GPU封裝的俯視圖
3 k$ J2 ?9 s) N# K9 @, i. e/ c( v! q
% x- U# c5 s2 l0 g* \未來(lái)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(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
[/ol]
4 U0 }7 \* k) F" F5 h+ C
8 `+ F* I% y) T, D+ b結(jié)論
& j: P, ^2 G% W1 M3 E0 g2.5D 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。
& E3 _* T6 I& I3 e$ y% ^' k
+ p# i6 z% o. [. i5 Y/ O- Q0 K3 ]參考文獻(xiàn)
[1] J. H. Lau, "Semiconductor Advanced Packaging," Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd.,2021.
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