如何跑步進(jìn)入Chiplet時代？

封裝行業(yè)正在努力將小芯片(chiplet)的采用范圍擴(kuò)大到幾個芯片供應(yīng)商之外，為下一代 3D 芯片設(shè)計(jì)和封裝奠定基礎(chǔ)。

新的小芯片標(biāo)準(zhǔn)和用于確定給定基于小芯片的設(shè)計(jì)可行性的成本分析工具是兩個新的重要部分。與其他努力一起，他們目標(biāo)是推動小芯片模型向前發(fā)展，盡管該技術(shù)仍存在挑戰(zhàn)和差距。

使用這種方法，封裝公司可以在庫中擁有具有不同功能和工藝節(jié)點(diǎn)的模塊化芯片或小芯片“菜單”。然后，芯片客戶可以選擇這些小芯片中的任何一個，并將它們組裝在一個先進(jìn)的封裝中，從而產(chǎn)生一種新的、復(fù)雜的芯片設(shè)計(jì)，作為片上系統(tǒng) (SoC) 的替代品。

小芯片模型已被英特爾、AMD 和 Marvell 等公司證明有效，這些公司設(shè)計(jì)自己的小芯片和互連?，F(xiàn)在，該行業(yè)的其他公司正在探索小芯片，主要是因?yàn)閿U(kuò)展對許多人來說變得過于困難和昂貴，而且遷移到新節(jié)點(diǎn)的功率和性能優(yōu)勢正在縮小。高級封裝提供了一種在不同技術(shù)節(jié)點(diǎn)上組合芯片的經(jīng)濟(jì)高效的方式，而小芯片則提供了增加互連 RC 延遲的解決方案。它們還承諾更快地開發(fā)復(fù)雜芯片，并且可以針對特定市場和應(yīng)用進(jìn)行定制。

傳統(tǒng)上，為了開發(fā)復(fù)雜的 IC 產(chǎn)品，供應(yīng)商設(shè)計(jì)了一種將所有功能集成在同一芯片上的芯片。在隨后的每一代中，每個芯片的功能數(shù)量都急劇增加。在最新的 7nm 和 5nm 節(jié)點(diǎn)上，成本和復(fù)雜性飆升。(節(jié)點(diǎn)是指特定的過程及其設(shè)計(jì)規(guī)則。)

“設(shè)計(jì)新硅節(jié)點(diǎn)的成本正在上升，”谷歌高級技術(shù)開發(fā)工程師 Mudasir Ahmad 在最近的一次演講中說。“只是為了給你一個規(guī)模，現(xiàn)在做 5nm 芯片的成本與做 10nm 和 7nm 芯片的成本加起來差不多或差不多。它非常昂貴。”

雖然傳統(tǒng)方法仍然是新設(shè)計(jì)的一種選擇，但小芯片為客戶提供了另一種解決方案。但與任何新技術(shù)一樣，chiplet 集成并不簡單。目前，基于小芯片的設(shè)計(jì)專門用于高端產(chǎn)品，而不是日常設(shè)計(jì)。即便如此，構(gòu)建基于小芯片的模型也需要幾個部分。只有少數(shù)大公司擁有所需的內(nèi)部專業(yè)知識和能力，其中大部分是專有的。

這將基于小芯片的方法的采用限制在少數(shù)人身上。但現(xiàn)在，行業(yè)正在努力使基于小芯片的設(shè)計(jì)更易于訪問。這些努力包括：

ASE、AMD、Arm、谷歌、英特爾、Meta、微軟、高通、三星和臺積電組成了一個新的小芯片聯(lián)盟。該小組發(fā)布了一種新的開放式裸片到裸片互連規(guī)范，使小芯片能夠在封裝中相互通信。

開放域特定架構(gòu) (ODSA) 子項(xiàng)目正在對類似技術(shù)進(jìn)行最后的潤色。ODSA 還剛剛發(fā)布了一個新的成本分析工具，它有助于確定給定的基于小芯片的設(shè)計(jì)是否可行。

幾家封裝公司正在開發(fā)制造技術(shù)，以將基于小芯片的設(shè)計(jì)投入生產(chǎn)。

小芯片具有挑戰(zhàn)性

通常，要開發(fā)基于小芯片的設(shè)計(jì)，第一步是定義產(chǎn)品。然后，提出的基于小芯片的設(shè)計(jì)需要幾個部分，例如產(chǎn)品架構(gòu)、已知良好的芯片 (KGD) 和芯片到芯片的互連。它還需要完善的制造策略。

KGD 是設(shè)計(jì)中使用的裸片或小芯片。芯片到芯片互連允許小芯片在設(shè)計(jì)中相互通信。通過開發(fā)或采購這些部件，芯片客戶可以開發(fā)基于小芯片的設(shè)計(jì)，至少在紙面上是這樣。

但最大的問題是該設(shè)計(jì)是否可行或具有成本效益。這可能是一個主要的絆腳石，阻止了對風(fēng)險(xiǎn)不利的芯片客戶考慮小芯片。

為了幫助這里的客戶，ODSA 發(fā)布了一個成本分析軟件工具，其中包括開發(fā)基于小芯片的設(shè)計(jì)所涉及的所有可能組件和成本的電子表格。

“沒有通用規(guī)則說你應(yīng)該總是做小芯片，或者你不應(yīng)該做。這一切都取決于特定的應(yīng)用程序，”谷歌的Mudasir Ahmad說?！拔覀冃枰粋€可用于每個應(yīng)用程序的模型來提供反饋。[使用電子表格，芯片客戶](With the spreadsheet, chip customer)可以使用通用框架將數(shù)據(jù)輸入其中。然后他們可以嘗試了解為特定應(yīng)用程序制作小芯片是否有意義。”

成本不是唯一的因素。工程師還必須考慮小芯片的挑戰(zhàn)。根據(jù)Ahmad的說法，以下是其中一些挑戰(zhàn)：

報(bào)廢成本：如果一個小芯片在一個或多個最終設(shè)計(jì)中失敗，則設(shè)備可能會報(bào)廢。這增加了廢品成本。

測試：為了最大限度地減少廢品損失，設(shè)計(jì)需要更多的測試覆蓋率。

良率：封裝復(fù)雜性可能會影響整體良率。

性能：將信號從一個芯片移動到另一個芯片可能會降低產(chǎn)品的性能。

商業(yè)模式是另一個挑戰(zhàn)?！叭绻胁煌墓?yīng)商提供不同的零件，并且您將它們?nèi)糠旁谝粋€封裝中，那么誰負(fù)責(zé)什么?誰承擔(dān)失敗的責(zé)任?” Ahmad問道。

架構(gòu)、KGD、互連

成本和技術(shù)挑戰(zhàn)只是小芯片等式的一部分。客戶還必須定義產(chǎn)品并為設(shè)計(jì)選擇架構(gòu)。

這里有很多選擇?？蛻艨梢詫⑿酒傻浆F(xiàn)有的高級封裝或新架構(gòu)中。

扇出是一種選擇。在扇出封裝的一個示例中，DRAM裸片堆疊在封裝中的邏輯芯片上。

在高端系統(tǒng)中使用，2.5D是另一種選擇。在 2.5D 中，裸片堆疊在中介層上，或并排連接。中介層包含硅通孔(TSV)，它提供了從die到電路板的電氣連接。在一個示例中，ASIC 和高帶寬存儲器(HBM) 并排放置在中介層上。HBM 是 DRAM 內(nèi)存堆棧。

另一種選擇是將小芯片合并到新的 3D 架構(gòu)中。例如，英特爾正在開發(fā)一種 GPU 架構(gòu)，代號為 Ponte Vecchio。該器件在一個封裝中集成了 5 個不同工藝節(jié)點(diǎn)的 47 個tiles或小芯片。

圖 1：高性能計(jì)算封裝的不同選項(xiàng)，基于中介層的 2.5D 與基板上扇出芯片 (FOCoS)。資料來源：ASE

圖 2：2.5D 封裝、高密度扇出 (HDFO)、帶橋接封裝和小芯片的更多示例。資料來源：安靠

任何基于小芯片的架構(gòu)都需要已知良好的裸片，即滿足給定規(guī)格的裸片。如果沒有 KGD，封裝可能會出現(xiàn)低良率或在現(xiàn)場失敗。

“我們收到裸片，然后將它們放入封裝中，以提供具有功能的產(chǎn)品，” ASE工程和技術(shù)營銷總監(jiān)Lihong Cao在最近的一次活動中說?！瓣P(guān)于 KGD，我們希望通過良好的功能對其進(jìn)行全面測試。我們希望它是 100%?！?/p>

這不是唯一的挑戰(zhàn)。在一個封裝中，一些die是堆疊的，而另一些則位于其他地方。因此，您需要一種使用裸片到裸片互連將一個裸片連接到另一個裸片的方法。

今天的小芯片設(shè)計(jì)使用專有互連連接芯片，這限制了該技術(shù)的采用?！靶⌒酒蔀樾?IP 的最大障礙是標(biāo)準(zhǔn)化，” QP Technologies的母公司 Promex 總裁兼首席執(zhí)行官 Richard Otte 說?！氨仨氃谛⌒酒g建立標(biāo)準(zhǔn)/通用通信接口，才能在多個封裝供應(yīng)商之間實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。”

好消息是，有幾個組織正在為小芯片開發(fā)開放的裸片到裸片互連標(biāo)準(zhǔn)。目前有幾種相互競爭的技術(shù)，尚不清楚哪種技術(shù)會勝出或如何將它們結(jié)合起來。

ODSA 正在準(zhǔn)備一種名為 Bunch of Wires (BoW) 的芯片到芯片互連技術(shù)。其他 die-to-die 技術(shù)包括高級接口總線 (AIB)、CEI-112G-XSR 和 OpenHBI。

在最新的努力中，由英特爾、三星、臺積電和其他公司支持的新小芯片聯(lián)盟發(fā)布了 UCIe，這是一個涵蓋芯片到芯片 I/O 物理層、芯片到芯片協(xié)議和軟件堆棧的規(guī)范。

上述所有規(guī)范都定義了封裝內(nèi)小芯片之間的標(biāo)準(zhǔn)互連，但它們都是不同的。“UCIe 和 BoW 都是開放規(guī)范，定義了封裝內(nèi)小芯片之間的互連，并支持開放的小芯片生態(tài)系統(tǒng)。但它們與如何定義層和優(yōu)化應(yīng)用程序不同，”ASE 的曹說。

事實(shí)證明，沒有一種互連技術(shù)可以滿足所有需求。工程師將選擇滿足給定應(yīng)用程序要求的選項(xiàng)?！案鞣N標(biāo)準(zhǔn)之間存在重疊子集的區(qū)域，” JCET首席技術(shù)官 Choon Lee 說。“因此，堅(jiān)持一個標(biāo)準(zhǔn)可能沒有重要意義。通常，小芯片的功能塊由設(shè)備制造商定義。他們知道如何優(yōu)化小芯片之間的互連。”

Chiplet 堆疊/綁定選項(xiàng)

一旦定義了chiplet 架構(gòu)、KGD 和互連，下一步就是確定將產(chǎn)品投入生產(chǎn)是否有意義。

和以前一樣，可以在代工廠、內(nèi)存制造商或 OSAT 制造和組裝封裝或類似小芯片的設(shè)計(jì)。一些(但不是全部)代工廠和內(nèi)存制造商擁有自己的內(nèi)部封裝組裝業(yè)務(wù)。

每個供應(yīng)商都有不同的能力。每個人都在開發(fā)一種或多種不同的方法來將不同的小芯片組裝、堆疊和粘合在一起。先進(jìn)的鍵合技術(shù)包括熱壓、激光輔助和銅混合鍵合。

熱壓鍵合 (TCB) 和激光輔助鍵合 (LAB) 都使用帶有銅微凸塊的傳統(tǒng)倒裝芯片工藝。在這個過程中，銅凸點(diǎn)形成在芯片上，然后使用倒裝芯片鍵合器、LAB 或 TCB 將器件鍵合到另一個結(jié)構(gòu)。相比之下，銅混合鍵合使用銅互連而不是傳統(tǒng)的凸塊來堆疊和連接die。

傳統(tǒng)的倒裝芯片工藝用于制造多種封裝類型。一種稱為球柵陣列 (BGA) 的類型用于多種芯片應(yīng)用。

為了制造 BGA 封裝，該過程首先在晶圓廠的晶圓上制造芯片。然后，在晶圓的一側(cè)形成基于焊料材料的微小銅凸點(diǎn)。凸塊由帶有薄鎳擴(kuò)散屏障的銅柱和錫銀焊帽組成。

銅凸塊將一個die連接到另一個die或封裝中的基板。這些凸塊在不同結(jié)構(gòu)之間提供了小而快速的電連接。制作銅凸點(diǎn)是眾所周知的工藝。

圖 3：Microbump 工藝流程。資料來源：John Lau，Unimicron

一旦在硅片上制造了凸塊，芯片就會被切割。然后，該設(shè)備經(jīng)過傳統(tǒng)的倒裝芯片工藝。

首先，將裸片放置在倒裝芯片鍵合機(jī)中。通常，倒裝芯片鍵合機(jī)用于以 300μm 至 50μm 的凸塊間距堆疊和鍵合裸片。今天的凸塊間距延伸到 40μm 及以下。(間距是指裸片上相鄰?fù)箟K之間的空間。)

“許多倒裝芯片器件不需要細(xì)間距，”Kulicke & Soffa (K&S) 的首席技術(shù)官 Bob Chylak 說。“倒裝芯片鍵合機(jī)取出芯片，將焊球浸入助焊劑中，然后將它們放置在 PCB 上?！?/p>

這個過程重復(fù)幾次。最終，幾個裸片被放置在 PCB 上，有時稱為裸片基板。然后，它經(jīng)歷一個大規(guī)?；亓鬟^程?！癙CB 通過回流爐，回流爐熔化焊料，然后將其固化，”Chylak 說。

在回流工藝之后，PCB 上的die會進(jìn)行清潔步驟。然后，系統(tǒng)會在 PCB 上的每個凸塊die上注入模塑料。國立中山大學(xué)研究員 Wan-Chun Chuang 在一篇論文中說：“[這密封]了所有組件，保護(hù)

了設(shè)備內(nèi)部的芯片和凸塊?！?/p>

然后，將較大的 C4 焊球植入基礎(chǔ) PCB 基板下方。最后，將 PCB 上的管芯切塊，創(chuàng)建單獨(dú)的 BGA 封裝，每個單元內(nèi)部都有管芯。

該行業(yè)需要一種不同的解決方案來使用最先進(jìn)的銅微凸塊，包括 40μm 或更緊密的間距。但在這些間距上使用傳統(tǒng)的倒裝芯片鍵合機(jī)具有挑戰(zhàn)性。對于更細(xì)的間距，一些封裝公司將 TCB 用于 40μm 至 10μm 凸塊間距的芯片堆疊和鍵合應(yīng)用。

通常，TCB 用于 2.5D/3D 封裝的芯片堆疊和鍵合。

圖 4：2.5D/3D 系統(tǒng)架構(gòu)。銅微凸塊連接中介層和基礎(chǔ)管芯。資料來源：拉姆布斯

在 TCB 工藝中，使用傳統(tǒng)的凸塊工藝在die上形成微小的銅凸塊。但是，在這種情況下，凸點(diǎn)更小，間距更小。然后，封裝公司不再使用傳統(tǒng)的倒裝芯片鍵合機(jī)，而是使用 TCB 工具。

“不是加熱整個電路板和上面的所有芯片，而是熱壓鍵合機(jī)抓住芯片，像普通倒裝芯片一樣將其浸入助焊劑中，然后將其放置在 PCB 上，”K&S 的 Chylak 說?！版I合頭中有一個加熱器。這加熱到超過將芯片固定到位的焊料的熔點(diǎn)。然后它冷卻下來，使焊料凝固?！?/p>

同時，鮮為人知的選項(xiàng) LAB 也是可行的。在 LAB 工藝中，使用傳統(tǒng)的凸塊工藝在管芯上形成微小的銅凸塊。

然后，將凸塊裸片和基板放置在 LAB 工具中。該系統(tǒng)使用激光產(chǎn)生的熱量將管芯對齊并粘合到基板上。

“(實(shí)驗(yàn)室設(shè)備)具有紅外激光源(980nm 波長)和光學(xué)系統(tǒng)(均質(zhì)器)，可產(chǎn)生尖銳且均勻的激光束，能夠以極高的升溫速度選擇性地加熱目標(biāo)區(qū)域。JCET 高級研發(fā)工程師 Wagno Alves Braganca 在一篇論文中表示：. 其他人也為這項(xiàng)工作做出了貢獻(xiàn)。

在 LAB 系統(tǒng)中，鍵合過程在不到一秒的時間內(nèi)發(fā)生，熱應(yīng)力低。LAB 比 TCB 快，但它需要來自特定供應(yīng)商的專用設(shè)備。

Amkor 和 JCET 正在開發(fā) LAB。該技術(shù)自 2019 年左右開始投入生產(chǎn)?！癓AB 一直在生產(chǎn)高性能計(jì)算應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，由于翹曲或殘余應(yīng)力導(dǎo)致的非濕凸塊或開裂可能至關(guān)重要，” JCET的 Lee 說。

OSAT 希望將 LAB 推至 10μm 間距左右。“我們已經(jīng)使用銅無鉛凸塊和我們的激光輔助鍵合方法演示了低至 10μm 的間距。我們的產(chǎn)品符合 20μm 間距領(lǐng)域的要求。這些都是晶圓上芯片，而且大多是特種傳感器，” Amkor高級封裝開發(fā)和集成副總裁 Michael Kelly 說。

混合鍵合

TCB 和 LAB 都延伸到 10μm 凸點(diǎn)間距。除此之外，該行業(yè)還需要一種新的解決方案，即銅混合鍵合。在這里，想法是使用細(xì)間距銅連接直接堆疊和連接die，而不是傳統(tǒng)的微凸塊。

銅混合鍵合并不新鮮。2005 年，Ziptronix 推出了一種稱為低溫直接鍵合互連 (DBI) 的技術(shù)，被認(rèn)為是銅混合鍵合的第一個版本。(2015年，Tessera收購了Ziptronix。2017年，Tessera更名為Xperi。)

2015 年，索尼獲得了 DBI 許可，并在其 CMOS 圖像傳感器生產(chǎn)線上實(shí)施了該技術(shù)。其他圖像傳感器供應(yīng)商也獲得了 DBI 許可。

對于 CMOS 圖像傳感器，供應(yīng)商遵循晶圓間混合鍵合工藝流程。首先，在一個晶圓廠中處理兩個不同的晶圓。第一個晶圓由大量處理器裸片組成。第二個晶圓由大量像素陣列管芯組成。

目標(biāo)是將每個像素陣列die堆疊在每個處理器管芯之上。為此，將兩個硅片插入硅片鍵合機(jī)中。鍵合機(jī)對齊每個芯片并使用兩步鍵合工藝將它們連接起來。首先它形成電介質(zhì)-電介質(zhì)鍵，然后是金屬-金屬連接。最后，晶圓上的die被切割和封裝，形成圖像傳感器。

使用 Xperi 的 DBI 工藝，索尼和 OmniVision 正在生產(chǎn)分別采用 3.1μm 和 3.9μm 間距的 CMOS 圖像傳感器。

現(xiàn)在，業(yè)界正在開發(fā)用于 3D 芯片和封裝應(yīng)用的銅混合鍵合。AMD、Graphcore 和 YMTC 已經(jīng)發(fā)布了來自不同供應(yīng)商的使用混合鍵合的產(chǎn)品。其他人在研發(fā)。

在封裝中，混合鍵合用于晶圓到晶圓和芯片到晶圓的鍵合。在die-to-wafer中，兩個帶有芯片的晶圓在晶圓廠中進(jìn)行加工。然后，第一晶片上的芯片被切割并使用混合鍵合鍵合到第二晶片。

圖 5：Xperi 的芯片到晶圓混合鍵合流程。資料來源：Xperi

芯片到晶圓為封裝客戶提供了更多選擇，但這是一個具有挑戰(zhàn)性的過程。“CMOS 圖像傳感器是通過晶圓對晶圓混合鍵合形成的，其中鍵合芯片的占位面積相似，并且兩個晶圓都具有足夠高的良率以及成熟的硅供應(yīng)鏈和工藝，”Xperi產(chǎn)品營銷副總裁Abul Nuruzzaman 說，。“在 2.5D 或 3D 高級封裝中，有時需要芯片到晶圓的鍵合技術(shù)。它還需要 KGD、不同的裸片尺寸以及來自不同技術(shù)節(jié)點(diǎn)或晶圓尺寸的裸片。切割、芯片處理和組裝必須與混合鍵合工藝兼容，這對行業(yè)來說相對較新。”

除了 Xperi，Imec、英特爾、Leti、美光、三星和臺積電也在開發(fā)銅混合鍵合工藝。

所有銅混合鍵合工藝都是相似的。首先，所需的芯片設(shè)計(jì)在晶圓廠的兩個晶圓上進(jìn)行處理。然后，每個晶圓在晶圓廠中都經(jīng)過一次大馬士革工藝。為此，將介電材料沉積在晶片的一側(cè)。在材料上，為晶圓上的每個裸片圖案化和蝕刻微小的通孔。

然后將銅材料沉積在硅片上。然后，化學(xué)機(jī)械拋光 (CMP) 工具拋光表面。剩下的是每個芯片的微小通孔中的銅金屬化材料。暴露的銅通孔代表焊盤。

硅片的表面必須是原始的，沒有缺陷。因此，在 CMP 之后，使用計(jì)量工具檢查表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是否存在缺陷。然后，將芯片切割在一個硅片上。使用晶圓鍵合機(jī)，將die堆疊并鍵合到第二個晶圓上。然后切割最終的鍵合芯片。

這是一個具有挑戰(zhàn)性的過程。在流動過程中，不需要的顆粒和缺陷可能會出現(xiàn)在模具上。顆粒會導(dǎo)致焊盤出現(xiàn)空洞。即使一個 100nm 的粒子落在焊盤上，也可能導(dǎo)致數(shù)百個連接失敗。

結(jié)論

迄今為止，只有少數(shù)供應(yīng)商開發(fā)和制造了基于小芯片的設(shè)計(jì)。為了更廣泛地采用該技術(shù)，幾個關(guān)鍵部分正在到位。

鑒于在先進(jìn)節(jié)點(diǎn)開發(fā)芯片的成本不斷上升，業(yè)界比以往任何時候都更需要小芯片模型。

審核編輯：湯梓紅

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