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在3D封装中分区

提高晶体管密度的最佳方法不一定是将更多的晶圆填充到单个芯片上。

原始形式的摩尔定律表明,设备密度大约每两年增加一倍,而成本保持不变。它依赖于这样的观察结果:无论印刷在其上的器件数量如何,处理过的硅晶片的成本都保持不变,这反过来又取决于平版印刷工人每小时晶片数量增加时维持或提高晶片每小时产量的能力。 。

几年来,这个前提已不复存在。 多种图案化方案和EUV光刻技术推动了前沿工艺技术的每晶圆成本上升。 工艺步骤的数量正在增加,工艺吞吐量滞后,最终结果是具有28nm功能的晶圆的成本低于具有14nm功能的晶圆。

与此同时,手机,平板电脑和各种物联网设备的兴起正在使集成电路产品更加多样化。 虽然缩放仍然为存储器和逻辑提供了明显的优势,但大多数系统设计中越来越多的部分由传感器,收发器和各种信号处理器组成。 这些组件消耗相对大量的硅面积,并且从较小的工艺节点看不到相同的益处。 例如,传感器的最小尺寸由感测操作的物理特性驱动。 将这些设备转移到更小的工艺技术中几乎没有性能优势。 它甚至可以降低产量,这取决于设备面积和工艺步骤的数量。

简而言之,这是3D集成的论据。 系统的每个组件都可以使用最适合其特定功能的工艺技术制造。 传感器可以使用更简单的工艺和更轻松的光刻,存储器不需要与逻辑处理兼容,等等。 然后可以将整个组件组合成单个封装,从而最小化互连长度和系统占用空间。

然而,与传统的片上系统范例的任何偏差都会立即引发分区问题 - 哪些组件属于一起哪些组件应该单独处理? 无论如何,“3D集成”是什么意思? 在某些情况下,例如使用光电元件,选择很容易。 但通常情况下,正如Imec的 3D程序主管Eric Beyne所解释的那样,对系统设计和拓扑结构的更大讨论是不可分割的。 数据和指令如何流经系统?

包是分区 
任何电路都是通过电线连接的组件层次结构。 Rent's Rule提醒我们,给定元素的连接数由它包含的组件数量定义。 然后,包装设计由所包含的组件之间所需的连接数量和密度来定义。

在传统的单芯片封装中可以看到最低的连接密度,它完全没有内部连接,并通过引线键合或焊接凸点阵列连接到电路板。 迄今为止主要在Leti的CoolCube等演示项目中实现的最高密度是单片3D,其中堆叠了几个有源器件层以形成单个统一电路。 在两个2.5D封装之间,芯片与中介层结合,并且堆叠具有通过硅通孔连接的独立芯片。


图1:3D集成选项。 资料来源:Imec

由于包装方法的多样性,除了特定包装设计的背景之外,很难谈论各个工艺步骤。 但是,所有封装都在组件之间具有某种形式的连接,并且都需要某种形式的热管理。

特别地,粘合方法取决于包装的组件之间的关系。 为了有效地使用硅区域,连接数量需要随组件的大小而扩展,因此高带宽内存需要支持足够的连接来服务存储器阵列。 因此,内存一直是利用芯片堆叠的首批组件之一,这并不奇怪。

正如Beyne解释的那样,在它支持的逻辑核心旁边放置一个存储器阵列,它的平均线长度取决于两个器件之间的间距和各个骰子上的凸起间距。 相反,如果存储器垂直堆叠在逻辑组件的顶部,则平均线长度就是两者之间的垂直间距。在Imec测试车辆实验中,插入器上的横向高带宽互连在两个组件之间具有7mm的线长度,具有3.5微米的凸块间距。 凭借2 Gbit /秒的信号速率,该器件实现了每毫米总线宽度0.57太比特/秒(Tbps)的带宽。 相比之下,通过在逻辑上堆叠存储器阵列,具有相当宽松的4微米互连间距,相同的2 Gbit /秒信号导致每平方毫米125Tbps的带宽。

使用晶圆到晶圆的键合而不是传统的芯片堆叠,可以实现更紧密的互连间距,甚至可以进一步提高带宽。 多核处理器的功能划分可能会将内存缓存直接放在每个核心的上方。 然后,核心逻辑背面的电源线和地线可以连接到器件的外部互连。 将配电网络移至后侧将简化前侧的逻辑信号连接,本身可立即提升性能。 最后,完整的计算模块可以与通信组件,高级计算内存加速器或其他元件一起连接到插入器。

像这样的异质包装中的连接密度也决定了在哪些设施上制造的元件。 硅通孔和晶圆到晶圆键合通常需要传统晶圆厂的工艺和洁净室功能。 将芯片和引线键合到简单的插入器是大多数OSAT所能达到的。 EV集团业务发展总监Thomas Uhrmann表示,随着信号再分配层变得更加复杂并且包含电容器和其他无源元件,特征尺寸开始接近晶圆厂中的上部互连层。 工艺和洁净室要求属于中间领域,不像晶体管工艺那样苛刻,但比传统封装更清洁。

粘合后,所有形式的3D集成的下一个重要挑战是冷却。 GlobalFoundries质量和可靠性技术人员Dingyou Zhang 观察到电气接近和热接近是齐头并进的。 散热问题是接受这些集成方案的主要障碍。 在一些设计中 ,插入器中的微流体通道可允许对流冷却。 更紧密集成的部件,如上面讨论的堆叠处理器,可能需要直接喷射强制空气或液体冷却剂。 封装设计人员需要了解潜在的电路热点,以便设计合适的冷却系统。

然后什么? 
当然,设计包装只是一个开始。 组装它可能需要几个临时粘合和剥离步骤,将单个骰子转移到临时载体,然后转移到再分配层。 测试需要仔细考虑每个步骤的成本暴露,以及了解在未组装状态下可以测试哪些功能,哪些只能作为集成系统的一部分进行测试。 以后的文章将更详细地介绍这些步骤。

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