2.5D封裝

2.5D封裝是傳統(tǒng)2D IC封裝技術(shù)的進展，可實現(xiàn)更精細的線路與空間利用。在2.5D封裝中，裸晶堆棧或并排放置在具有硅通孔(TSV)的中介層(interposer)頂部。其底座，即中介層，可提供芯片之間的連接性。

2.5D封裝通常用于高端ASIC、FPGA、GPU和內(nèi)存立方體。2008年，賽靈思(Xilinx)將其大型FPGA劃分為四個良率更高的較小芯片，并將這些芯片連接到硅中介層。2.5D封裝由此誕生，并最終廣泛用于高帶寬內(nèi)存(HBM)處理器整合。



圖1、2.5D封裝示意圖。(圖片來源：Research Gate)

3D封裝

在3D IC封裝中，邏輯裸晶堆棧在一起或與儲存裸晶堆棧在一起，無需建構(gòu)大型的系統(tǒng)單芯片(SoC)。裸晶之間透過主動中介層連接，2.5D IC封裝是利用導電凸塊或TSV將組件堆棧在中介層上，3D IC封裝則將多層硅晶圓與采用TSV的組件連接在一起。

TSV技術(shù)是2.5D和3D IC封裝中的關(guān)鍵使能技術(shù)，半導體產(chǎn)業(yè)一直使用HBM技術(shù)生產(chǎn)3D IC封裝的DRAM芯片。

圖2 、從3D封裝的截面圖可以看出，透過金屬銅TSV實現(xiàn)了硅芯片之間的垂直互連。(數(shù)據(jù)源：Research Gate)

Chiplet

芯片庫中有一系列模塊化芯片可以采用裸晶到裸晶互連技術(shù)整合到封裝中。Chiplet是3D IC封裝的另一種形式，可以實現(xiàn)CMOS組件與非CMOS組件的異質(zhì)整合(Heterogeneous integration)。換句話說，它們是較小型的SoC，也叫做chiplet，而不是封裝中的大型SoC。

將大型SoC分解為較小的小芯片，與單顆裸晶相比具有更高的良率和更低的成本。Chiplet使設(shè)計人員可以充分利用各種IP，而不用考慮采用何種工藝節(jié)點，以及采用何種技術(shù)制造。他們可以采用多種材料，包括硅、玻璃和層壓板來制造芯片。

圖3、基于Chiplet的系統(tǒng)是由中介層上的多個Chiplet組成。(圖片來源：Cadence) 扇出(Fan out)

在扇出封裝中，“連結(jié)”(connection)被扇出芯片表面，從而提供更多的外部I/O。它使用環(huán)氧樹脂成型材料(EMC)完全嵌入裸晶，不需要諸如晶圓凸塊、上助焊劑、倒裝芯片、清潔、底部噴灑充膠和固化等工藝流程，因此也無需中介層，使異質(zhì)整合變得更加簡單。

扇出技術(shù)是比其他封裝類型具有更多I/O的小型封裝。2016年，蘋果(Apple)借助臺積電(TSMC)的封裝技術(shù)，將其16納米應(yīng)用處理器與移動DRAM整合到iPhone 7的一個封裝中，從而將這項技術(shù)推向舞臺。

扇出晶圓級封裝(FOWLP)

FOWLP技術(shù)是針對晶圓級封裝(WLP)的改進，可以為硅芯片提供更多外部連接。它將芯片嵌入環(huán)氧樹脂成型材料中，然后在晶圓表面建構(gòu)高密度重分布層(RDL)并施加焊錫球，形成重構(gòu)晶圓(reconstituted wafer)。

它通常先將經(jīng)過處理的晶圓切成單顆裸晶，然后將裸晶分散放置在載體結(jié)構(gòu)(carrier structure)上，并填充間隙以形成重構(gòu)晶圓。FOWLP在封裝和應(yīng)用電路板之間提供了大量連接，而且由于基板比裸晶要大，裸晶的間距實際上更寬松。



圖4、在此FOWLP封裝示例中，硅倒裝芯片嵌入到玻璃基板中，重分布層透過芯片扇出至玻璃通孔。(圖片來源：Samtec)

異質(zhì)整合

將分開制造的不同組件整合到更高級別的組件中，可以增強功能并改進工作特性，因此半導體組件制造商能夠?qū)⒉捎貌煌に嚵鞒痰墓δ芙M件組合到一個組件中。

異質(zhì)整合類似于系統(tǒng)級封裝(SiP)，但它并不是將多顆裸晶整合在單個基板上，而是將多個IP以Chiplet的形式整合在單個基板上。異質(zhì)整合的基本思想是將多個具有不同功能的組件組合在同一個封裝中。



圖5、異質(zhì)整合中的一些技術(shù)建構(gòu)區(qū)塊。(圖片來源：ASE Group)

HBM

HBM是一種標準化的堆棧儲存技術(shù)，可為堆棧內(nèi)部，以及內(nèi)存與邏輯組件之間的數(shù)據(jù)提供高帶寬信道。HBM封裝將內(nèi)存裸晶堆棧起來，并透過TSV將它們連接在一起，從而創(chuàng)建更多的I/O和帶寬。

HBM是一種JEDEC標準，它在封裝內(nèi)垂直整合了多層DRAM組件，封裝內(nèi)還有應(yīng)用處理器、GPU和SoC。HBM主要以2.5D封裝的形式實現(xiàn)，用于高端服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)芯片。現(xiàn)在發(fā)布的HBM2版本解決了初始HBM版本中的容量和時鐘速率限制問題。



圖6、HBM封裝將內(nèi)存裸晶彼此堆棧，并利用TSV將它們連接起來以創(chuàng)建更多I/O和帶寬。(圖片來源：SK Hynix)

中介層

中介層是封裝中多芯片裸晶或電路板傳遞電信號的管道，是插口或接頭之間的電接口，可以將信號傳播更遠，也可以連接到板子上的其他插口。

中介層可以由硅和有機材料制成，充當多顆裸晶和電路板之間的橋梁。硅中介層是一種經(jīng)過驗證的技術(shù)，具有較高的細間距I/O密度和TSV形成能力，在2.5D和3D IC芯片封裝中扮演著關(guān)鍵角色。



圖7、系統(tǒng)分區(qū)中介層的典型實現(xiàn)。(數(shù)據(jù)源：Yole Développement)

重分布層

重分布層包含銅連接線或走線，用于實現(xiàn)封裝各個部分之間的電氣連接。它是金屬或高分子介電材料層，裸晶可以堆棧在封裝中，從而縮小大芯片組的I/O間距。重分布層已成為2.5D和3D封裝解決方案中不可或缺的一部分，使其上的芯片可以利用中介層相互進行通訊。



圖8、使用重分布層的整合封裝。(圖片來源：Fujitsu)

TSV

TSV是2.5D和3D封裝解決方案的關(guān)鍵實現(xiàn)技術(shù)，是在晶圓中填充銅，提供貫通硅晶圓裸晶的垂直互連。它貫穿整個芯片以提供電氣連接，形成從芯片一側(cè)到另一側(cè)的最短路徑。

從晶圓的正面將通孔或孔洞蝕刻到一定深度，然后將其絕緣，并沉積導電材料(通常為銅)進行填充。芯片制造完成后，從晶圓的背面將其減薄，以暴露通孔和沉積在晶圓背面的金屬，從而完成TSV互連。



圖9、在TSV封裝中，DRAM芯片接地、穿透并與電極相連。(圖片來源：Samsung Electronics)

審核編輯：劉清