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了解先进IC封装的10种基本技术

2020-11-19 Majeed Ahmad 阅读:
先进IC封装是“超越摩尔”时代的一大技术亮点。当芯片在每个工艺节点上的缩小越来越困难、也越来越昂贵之际,工程师们将多个芯片放入先进的封装中,就不必再费力缩小芯片了。本文介绍了10种先进IC封装技术。

先进IC封装是“超越摩尔”时代的一大技术亮点。当芯片在每个工艺节点上的缩小越来越困难、也越来越昂贵之际,工程师们将多个芯片放入先进的封装中,就不必再费力缩小芯片了。1nuednc

然而,先进IC封装技术发展十分迅速,设计工程师和工程经理们需要跟上这一关键技术的发展节奏。首先,他们需要了解先进IC封装中不断出现的基本术语。1nuednc

本文将对下一代IC封装技术中最常用10个术语做简要概述。1nuednc

2.5D封装

2.5D封装是传统2D IC封装技术的进步,可实现更精细的线路与空间利用。在2.5D封装中,裸片堆叠或并排放置在具有硅通孔(TSV)的中介层顶部。其底座,即中介层,可提供芯片之间的互联。1nuednc

2.5D封装通常用于高端ASIC、FPGA、GPU和内存立方体。2008年,赛灵思将其大型FPGA划分为四个良率更高的较小芯片,并将这些芯片连接到硅中介层。2.5D封装由此诞生,并最终广泛用于高带宽内存(HBM)处理器集成。1nuednc

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图1:2.5D封装示意图。(图片来源:Research Gate)1nuednc

3D封装

在3D IC封装中,逻辑裸片堆叠在一起或与存储裸片堆叠在一起,无需构建大型的片上系统(SoC)。裸片之间通过有源中介层连接。2.5D IC封装是通过导电凸块或TSV将元件堆叠在中介层上,3D IC封装则将多层硅晶圆与采用TSV的元件连接在一起。1nuednc

硅通孔技术是2.5D和3D IC封装中的关键使能技术,半导体行业一直使用HBM技术生产3D IC封装的DRAM芯片。1nuednc

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图2:从3D封装的截面图可以看出,通过金属铜TSV实现了硅芯片之间的垂直互连。(资料来源:Research Gate)1nuednc

小芯片(Chiplet)

芯片库中有一系列模块化芯片可以采用裸片到裸片互联技术集成到封装中。小芯片是3D IC封装的另一种形式,可以实现CMOS器件与非CMOS器件的异构集成。换句话说,它们是封装中的多个较小的SoC,也叫做小芯片,而不是一个大的SoC。1nuednc

将大型SoC分解为较小的小芯片,与单颗裸片相比具有更高的良率和更低的成本。小芯片使设计人员可以充分利用各种IP,而不用考虑采用何种工艺节点以及采用何种技术制造。他们可以采用多种材料,包括硅、玻璃和层压板,来制造芯片。1nuednc

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图3:基于小芯片的系统是由中介层上的多个小芯片组成的。(图片来源:Cadence)1nuednc

扇出

在扇出封装中,“连接”被扇出芯片表面,从而提供更多的外部I/O。它使用环氧树脂塑封料完全嵌入裸片,不需要诸如晶圆凸块、上助焊剂、倒装芯片、清洁、底部喷洒充胶和固化等工艺流程,因此也无需中介层,使异构集成变得更加简单。1nuednc

扇出技术是比其他封装类型具有更多I/O的小型封装。2016年,苹果借助台积电的封装技术,将其16纳米应用处理器与移动DRAM集成到iPhone 7的一个封装中,从而将这项技术推向舞台。1nuednc

扇出晶圆级封装(FOWLP)

FOWLP技术是对晶圆级封装(WLP)的改进,可以为硅片提供更多外部连接。它将芯片嵌入环氧树脂塑封料中,然后在晶圆表面构建高密度重分布层(RDL)并施加焊锡球,形成重构晶圆。1nuednc

它通常先将经过处理的晶圆切成单个裸片,然后将裸片分散放置在载板上,并填充间隙以形成重构晶圆。FOWLP在封装和应用电路板之间提供了大量连接,而且由于衬底比裸片要大,裸片的间距实际上更宽松。1nuednc

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图4:在FOWLP封装中,硅倒装芯片嵌入到玻璃衬底中,RDL透过芯片扇出至玻璃通孔。(图片来源:Samtec)1nuednc

异构集成

将分开制造的不同元件集成到更高级别的组件中,可以增强功能并改进工作特性,因此半导体器件制造商能够将采用不同制造工艺流程的功能元件组合到一个器件中。1nuednc

异构集成类似于系统级封装(SiP),但它并不是将多颗裸片集成在单个衬底上,而是将多个IP以小芯片的形式集成在单个衬底上。异构集成的基本思想是将多个具有不同功能的元件组合在同一个封装中。1nuednc

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图5:异构集成中的一些技术构建块。(图片来源:日月光集团)1nuednc

高带宽内存(HBM)

HBM是一种标准化的堆栈存储技术,可为堆栈内部以及存储与逻辑元件之间的数据提供高带宽通道。HBM封装将存储裸片堆叠起来,并通过硅通孔(TSV)将它们连接在一起,从而创建更多的I/O和带宽。1nuednc

HBM是一种JEDEC标准,它在封装内垂直集成了多层DRAM器件,封装内还有应用处理器、GPU和SoC。HBM主要以2.5D封装的形式实现,用于高端服务器和网络芯片。现在发布的HBM2版本解决了初始HBM版本中的容量和时钟速率限制问题。1nuednc

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图6:HBM封装将存储裸片彼此堆叠,并通过TSV将它们连接起来以创建更多I/O和带宽。(图片来源:SK海力士)1nuednc

中介层

中介层是封装中多芯片模块或电路板传递电信号的管道,是插口或接头之间的电接口,可以将信号传播更远,也可以连接到板子上的其他插口。1nuednc

中介层可以由硅和有机材料制成,充当多颗裸片和电路板之间的桥梁。硅中介层是一种经过验证的技术,具有较高的细间距I/O密度和TSV形成能力,在2.5D和3D IC芯片封装中扮演着关键角色。1nuednc

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图7:系统分区中介层的典型实现。(资料来源:Yole Développement)1nuednc

重分布层(RDL)

重分布层包含铜连接线或走线,用于实现封装各个部分之间的电气连接。它是金属或高分子介电材料层,裸片可以堆叠在封装中,从而缩小大芯片组的I/O间距。RDL已成为2.5D和3D封装解决方案中不可或缺的一部分,使其上芯片可以通过中介层相互进行通信。1nuednc

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图8:使用重分布层的集成封装。(图片来源:富士通)1nuednc

硅通孔(TSV)

硅通孔(TSV)是2.5D和3D封装解决方案的关键实现技术,是在晶圆中填充以铜,提供贯通硅晶圆裸片的垂直互连。它贯穿整个芯片来提供电气连接,形成从芯片一侧到另一侧的最短路径。1nuednc

从晶圆的正面将通孔或孔蚀刻到一定深度,然后将其绝缘,并沉积导电材料(通常为铜)进行填充。芯片制造完成后,从晶圆的背面将其减薄,以暴露通孔和沉积在晶圆背面的金属,从而完成TSV互连。1nuednc

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图9:在TSV封装中,DRAM芯片接地、穿透并与电极相连。(图片来源:三星电子)1nuednc

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(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Lost in the advanced IC packaging labyrinth? Know these 10 basic terms?,由Jenny Liao编译。)1nuednc

本文为《电子技术设计》2020年11月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里1nuednc

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