半導(dǎo)體行業(yè)正在準備從基于專有小芯片的系統(tǒng)向更加開放的小芯片生態(tài)系統(tǒng)遷移，其中由不同公司采用不同技術(shù)和器件節(jié)點制造的小芯片可以以可接受的良率集成在單個封裝中。 ? 為了使這項工作按預(yù)期進行，芯片行業(yè)將必須解決各種有據(jù)可查的技術(shù)和業(yè)務(wù)問題，并且必須控制一些可能發(fā)生的更宏偉的愿景——至少在最初是這樣。基本挑戰(zhàn)是將包含越來越多小芯片的終端系統(tǒng)的特定領(lǐng)域性能需求與IDM、代工廠和OSAT的組裝和封裝能力及方法相結(jié)合。這包括創(chuàng)建大致相當于工藝開發(fā)套件 (PDK) 的裝配開發(fā)套件 (ADK)，如今已將其編入制造規(guī)范。

PDK 提供了開發(fā)平面芯片所需的適當詳細程度，將設(shè)計工具與制造工藝相結(jié)合，以實現(xiàn)可預(yù)測的結(jié)果。但要讓該功能適用于具有異構(gòu)小芯片的PDK，要復(fù)雜很多倍。設(shè)計和裝配團隊需要管理熱、機械和電氣的相互依賴性，這些依賴性會導(dǎo)致電氣和機械應(yīng)力，從而導(dǎo)致實際工作負載下的翹曲、良率降低和可靠性問題。除此之外，還有與不同制造商的不同設(shè)備的包裝相關(guān)的業(yè)務(wù)和法律問題。 ?

Yole Intelligence半導(dǎo)體封裝技術(shù)和市場分析師 Gabriela Pereira 表示：“小芯片是一種不斷增長的趨勢，尤其是在 HPC 和網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，并且有潛力擴展到其他應(yīng)用。” “業(yè)界已經(jīng)認識到需要高端先進封裝技術(shù)來連接它們 - 但這比看起來要復(fù)雜得多。連接小芯片需要在封裝級設(shè)計高帶寬互連，可以采用不同的形式，例如 2D、2.5D 或 3D，同時確保滿足散熱和功耗要求。” ? 基于小芯片的商業(yè)設(shè)備通常是特定于領(lǐng)域的，有時是針對特定工作負載而開發(fā)的。因此，盡管業(yè)界大力推動為小芯片創(chuàng)建類似樂高的混合搭配生態(tài)系統(tǒng)（目前包括多個 IP 和 EDA 供應(yīng)商、代工廠、內(nèi)存供應(yīng)商、OSAT、基板供應(yīng)商等），但要按計劃進行這項工作仍需要時間和大量的工作。 ? ?

在創(chuàng)建異構(gòu)集成設(shè)計時，代工廠、IDM、OSAT 和 PCB 制造商之間必須進行更緊密的合作。由于每個基于小芯片的系統(tǒng)都將被定制，因此組裝工藝的數(shù)量將大幅增加。例如，一家 OSAT 指出，在其約 5,000 家客戶中，有約 1,000 種不同的組裝工藝。

產(chǎn)品和工藝的多樣性使得從大量選項中選擇小芯片很難獲得可預(yù)測的結(jié)果。 ? “我們已經(jīng)遇到了很多限制，不僅包括芯片，還包括集成和生態(tài)系統(tǒng)，”日月光集團高級總監(jiān)曹立紅（音譯）在 MEPTEC 的“Chiplet 之路”論壇上表示。她強調(diào)，客戶繼續(xù)推動低成本小芯片組裝工藝，這在開發(fā)復(fù)雜的組裝工藝與不同行業(yè)的經(jīng)濟現(xiàn)實之間造成了建設(shè)性的緊張關(guān)系。例如，汽車計算設(shè)備比數(shù)據(jù)中心具有更高的成本敏感性，但它們的芯片在更惡劣的環(huán)境中運行，使用壽命更長。

? 我們需要的是一套明確的裝配工藝配方——基本上是一個高度有限的選擇菜單——特定于最終應(yīng)用（HPC、汽車、射頻電信），以降低基于小芯片的系統(tǒng)的成本。OSAT 和代工廠已經(jīng)朝著高性能計算的方向發(fā)展。例如，在 2024 年 Direct Connect 活動中，英特爾分享了其六種不同的小芯片封裝工藝。臺積電和三星還提供定義的小芯片工藝集。但這些裝配工藝的成功需要工程團隊共同優(yōu)化流程、工藝和材料，以最好地滿足系統(tǒng)要求。 ?

? “以前，當我們設(shè)計系統(tǒng)時，我們只需要擔心系統(tǒng)要求。一旦我們開始分離die并重新組裝它們，我們就必須開始考慮其他事情。我們必須擔心將它們組合在一起，同時考慮芯片之間的信號完整性、可靠性、散熱等。”應(yīng)用材料公司人工智能系統(tǒng)解決方案總監(jiān) Itai Leshniak 在 MEPTEC 論壇上說道。“如果我們以基于人工智能的計算機視覺為例，我們可以在硬件方面將其逐層分解，確定需要哪些計算機視覺處理器、傳感器、過濾器來將其分解為層架構(gòu)。然后我們開始研究如何封裝所有這些小芯片，然后使用哪些材料以及如何利用這些材料。” ?

材料和裝配工藝

從概念上講，設(shè)計工程師將使用小芯片來設(shè)計系統(tǒng)。然而，協(xié)同設(shè)計和集成比組裝一組樂高積木要復(fù)雜得多，因為小芯片、中介層和封裝基板來自不同的設(shè)計公司和制造工廠。用于連接小芯片的先進封裝技術(shù)各不相同——FOWLP、FOPLP、CoWoS 等，每種技術(shù)都帶來了額外的設(shè)計和材料選擇以及某些工藝限制。

? 目前，工程團隊正在確定不同封裝選項之間的權(quán)衡，以選擇材料、得出工藝配方并確定設(shè)計規(guī)則。

? 材料是一個很好的起點。“材料非常重要，因為它們能夠?qū)崿F(xiàn)新產(chǎn)品和封裝技術(shù)，”弗勞恩霍夫可靠性和微集成 IZM 研究所副組長 Tanja Braun 說道。“當你轉(zhuǎn)向更先進的封裝時，流程變得更加復(fù)雜，因為你要將更多的東西放在一起。最終，這是設(shè)備、材料和工藝開發(fā)的結(jié)合。” ? 封裝組裝過程中有三個至關(guān)重要的熱參數(shù)——熱膨脹系數(shù) (CTE)、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度?(T g ) 和導(dǎo)熱率。這些因素影響材料在制造到包裝過程中的表現(xiàn)，以及它在現(xiàn)場的表現(xiàn)。

? “我們的材料面臨的挑戰(zhàn)包括不同芯片的溫度限制，” Brewer Science首席技術(shù)官 Rama Puligadda 說道。“我們必須確保用于粘合材料的溫度不超過集成到封裝中的任何芯片的熱限制。此外，可能還有一些后續(xù)工藝，例如重新分布層（RDL）形成或模制。我們的材料必須能夠經(jīng)受住這些過程。它們必須能夠經(jīng)受住整個包裝過程中接觸到的化學(xué)品的考驗。封裝中的機械應(yīng)力給粘合材料帶來了額外的挑戰(zhàn)。” ?

在具有可選中介層的基板上小芯片堆棧中，它們的材料屬性也會影響相鄰材料之間的熱機械應(yīng)力。這直接影響大面積襯底區(qū)域上的互連尺寸控制。 ? Promex Industries首席執(zhí)行官迪克·奧特 (Dick Otte) 表示：“如果你仔細研究一下數(shù)字，你會發(fā)現(xiàn)所需的容忍度和控制水平令人恐懼。” “你所說的控制尺寸相當于足球場長度上草葉的寬度，所以這大約是十萬分之一。” ? 目標是在回流焊中均勻加熱結(jié)構(gòu)，以獲得最佳工藝結(jié)果并避免破裂。“當你讓它經(jīng)歷 250 攝氏度的溫度變化時，你需要緩慢加熱，這樣頂部就不會先于底部變熱，”O(jiān)tte 說。 ?

多物理場理解協(xié)同優(yōu)化

多物理場建模已成為協(xié)同優(yōu)化包裝設(shè)計和裝配工藝開發(fā)的首選方法。這會影響永久和臨時材料，以及處理器、存儲器和其他組件的放置。 ? “你總是關(guān)注客戶對電力的需求，因為這將有助于定義材料集。該材料集廣泛適用于一系列速度范圍。只要不超出這些電氣規(guī)范，理論上應(yīng)該沒問題，” Amkor Technology高級封裝和技術(shù)集成副總裁 Mike Kelly 說道。 ? 為了節(jié)省基于經(jīng)驗的開發(fā)的多次迭代，工程師可以使用基于物理的模擬來了解材料組的屬性對裝配過程、功率/熱量和機械振動的影響。

? 考慮到 HPC 小芯片產(chǎn)品在峰值性能下的功耗約為 1,000 瓦，因此需要充分了解功率和熱相互作用。 ? “正如每個人一樣，我們一直在努力應(yīng)對不同技術(shù)的復(fù)雜性。它們不僅在不同的供應(yīng)商之間存在差異，而且還會隨著時間的推移而變化。” Ansys產(chǎn)品營銷總監(jiān) Marc Swinnen 說道。“我們的方法是確定需要解決的要點。我們與客戶共同開發(fā)了一個能夠真正實現(xiàn)現(xiàn)在所需的模擬流程。” ?

材料只是拼圖中的一小部分。“然后需要對裝配應(yīng)力進行建模，以了解是否可以正確組裝該設(shè)備。第三個是機械振動，”Swinnen 說。“你的設(shè)備能承受這些定期振動嗎？對這些屬性進行建模直接與我們的機械分析工具（聲學(xué)、熱學(xué)、振動等）聯(lián)系在一起。最后，您將必須進行物理模擬。我們正在努力讓人們以多種不同的形式使用它。但我們工具產(chǎn)品的基礎(chǔ)是我們擁有網(wǎng)格模擬和分析。問題是如何以實用且可用的方式獲取正確格式的數(shù)據(jù)。” ?

不斷發(fā)展的裝配設(shè)計套件

對于傳統(tǒng)封裝，OSAT 為每種封裝技術(shù)提供了設(shè)計規(guī)則。這些需要考慮電氣、機械和熱設(shè)計要求以及制造工藝限制。實際上，這是一個多維邊界框。供應(yīng)商與客戶一起進行迭代，以創(chuàng)建產(chǎn)品特定的工藝配方。 ? 規(guī)則涵蓋了宏觀層面的屬性。“至少，您從設(shè)計規(guī)則中看到的是最大封裝尺寸、最大硅尺寸以及硅是否可以[安裝]在基板的兩側(cè)，這樣當您遵循這些結(jié)構(gòu)時，最終產(chǎn)品的使用壽命將是例如，1,000 次熱循環(huán)，”Fraunhofer 的 Braun 說道。 ? 此外，設(shè)計規(guī)則需要描述中介層和/或重新分布層的布線約束，例如RDL線寬和間距、球柵/柱/焊盤尺寸和間距以及互連的最大數(shù)量。 ? 將單片 HPC 器件分解為多個芯片可將部分半導(dǎo)體設(shè)計/工藝復(fù)雜性轉(zhuǎn)移到封裝空間。這讓事情變得更加復(fù)雜。考慮到連接 10 個芯片需要中介層或基板的重新分布層內(nèi)有 100,000 條跡線。

? 為了應(yīng)對芯片級的復(fù)雜性，IC 行業(yè)長期以來一直依賴工藝設(shè)計套件 (PDK) 將設(shè)計規(guī)則捕獲到可導(dǎo)入 EDA 工具的電子文件中。其對應(yīng)的裝配設(shè)計套件 (ADK) 相對不成熟。 ? “我們稱之為智能包，”Amkor 的 Kelly 說。“這是我們?yōu)槊课蛔孕性O(shè)計的客戶提供的 ADK。它是一組宏，以及根據(jù)客戶的特定設(shè)計定制的數(shù)據(jù)庫。對于chiplet來說，它是一種高密度扇出封裝技術(shù)。而且它認識到金屬密度和金屬間距等的限制。這使我們更容易進行設(shè)計規(guī)則檢查（DRC）。”

? 但目前，由于仍需要一定程度的定制，ADK 的派生方式及其所需內(nèi)容正在不斷變化。EDA 工具供應(yīng)商、OSAT 和半導(dǎo)體器件供應(yīng)商之間需要建立合作伙伴關(guān)系。 ? “我們來自 IC 世界，那里的一切都非常嚴格，” Synopsys旗下 EDA 集團 3D-IC 產(chǎn)品管理總監(jiān) Kenneth Larsen 說道。“在 OSAT 方面，也許這是因為它是如此定制，設(shè)計規(guī)則看起來就像一個數(shù)據(jù)表。然后，您可以隨著時間的推移或與 OSAT 合作來構(gòu)建和優(yōu)化產(chǎn)品。這不是電子交換。在 IC 領(lǐng)域，這完全是聞所未聞的。雖然可以調(diào)整一些東西，但你有一個資格流程。而且似乎還沒有這樣的包裝。” ? 材料和相關(guān)的組裝配方最終決定了小芯片-基板堆疊在柱間距、RDL 線寬和間距、鍵合工藝以及小芯片放置公差方面的可能性。但在少數(shù) ADK 中，有許多可能的交互需要考慮。 ? 當前的重點是協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計與小芯片組裝工藝，從而形成組裝工藝開發(fā)流程（見圖 4）。該流程考慮了組裝過程的定制需求，并創(chuàng)建了封裝設(shè)計人員使用的必要設(shè)計規(guī)則。 ?

? “首先，您需要使用小芯片定義您的結(jié)構(gòu)。您使用的是基板 RDL、2.5D RDL 還是橋接器？之后，您需要考慮結(jié)構(gòu)的材料。您選擇什么樣的材料來滿足您的電氣性能和機械應(yīng)力要求，”曹說。“之后，您進行預(yù)分析，以確保您使用的所有結(jié)構(gòu)和材料在電氣、翹曲和機械應(yīng)力方面均可行。” ? 設(shè)計規(guī)劃流程還包括通過協(xié)同設(shè)計簽核文檔評估芯片間互連。 ?

結(jié)論

在 IDM 模型之外實現(xiàn)基于小芯片的設(shè)計之前，業(yè)界需要完成連接制造和設(shè)計復(fù)雜性的生態(tài)系統(tǒng)。這是因為需要根據(jù)材料、工藝和集成能力共同優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)。雖然通過一系列定義明確的產(chǎn)品來推動小芯片生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展會更容易，但這還沒有發(fā)生。 ? 整個設(shè)計和制造堆棧的工程團隊需要合作選擇適當?shù)牟牧稀⒓軜?gòu)、工藝等，以開發(fā)最終的可設(shè)計的基于小芯片的產(chǎn)品。正如日月光集團的曹指出的那樣，“集成的設(shè)計和制造生態(tài)系統(tǒng)非常重要。IDM、供應(yīng)商、材料供應(yīng)商之間的合作非常重要。每個人都需要共同努力才能真正實現(xiàn)實際應(yīng)用程序的集成。” ?

審核編輯：黃飛

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