2.5D IC集成概述

逍遙設(shè)計自動化

引言
' t" n7 @7 d  d  U# g2.5D IC集成已成為高性能計算應(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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什么是2.5D IC集成？
2.5D 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。
* \& Y& Z2 d! L$ J6 P. A
) Y' n) K' y7 U, `9 j! i典型2.5D IC封裝的關(guān)鍵組件包括：

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
) x; o. |3 o4 u1 {9 W0 Z
, w8 J! b1 I) _8 e% a. y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
2.5D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)計提供途徑
* M( i0 U) `: G) u4 C+ f9 O; h[/ol]
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）
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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：

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圖2. 在玻璃中介層上創(chuàng)建TGV和RDL的工藝步驟
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主要挑戰(zhàn)
( S! O9 e0 S$ K) v# P- D3 @* l. Q2.5D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
[/ol]
8 G1 g& b+ W) q, ?熱管理方法
& u  V7 U4 @9 I, S- q( T3 u; i) N$ m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
[/ol]
2 y+ t8 ?- R1 |) f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：


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

+ g  N7 U/ j9 I: @3 S最新發(fā)展和趨勢
0 h# K# Y7 e' @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(jìn)的熱管理解決方案

基于Chiplet的設(shè)計
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0 ~& I  G  Z; W. V0 S: C增加中介層尺寸
' c/ m( t* ^) e+ ]2 s5 T: s& {: I7 Q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：
) l0 L( H* _6 c# ^5 Q8 M% o/ a
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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
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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圖5.顯示用于天線封裝應(yīng)用的玻璃中介層
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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：


3 _2 m. Q' r* g  @+ m# Y圖6. 顯示帶有集成深溝電容器的CoWoS封裝概念圖

先進(jìn)的熱管理
/ _2 b0 t* P' K( u7 l0 d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，以改善熱性能：


+ p1 l$ O$ R) Q& k( W圖7. 顯示中介層兩側(cè)都有芯片的2.5D封裝橫截面視圖
. @1 F) n) S' ^8 {- S3 Q, M, ^$ G
基于Chiplet的設(shè)計
2.5D集成使基于Chiplet的設(shè)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：


2 O# T+ f  p& N* Q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

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" a# e# R1 q( U7 a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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6 T9 S# e0 F+ z1 H, L3 b8 v/ x  c圖9顯示了AMD使用2.5D集成的Radeon R9 Fury X GPU：


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(yù)計將在高性能計算應(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)計技術(shù)

改進(jìn)的熱管理解決方案
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結(jié)論
2.5D IC集成已成為高性能計算應(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。
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參考文獻(xiàn)
: x% I; m+ E# j[1] J. H. Lau, "Semiconductor Advanced Packaging," Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd.,2021.


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