臺積電3D Fabric先進封裝技術(shù)

在Hot Chips 2021上，英特爾、AMD、IBM、ARM、英偉達、三星、高通等科技巨頭，Skydio、EdgeQ、Esperanto等初創(chuàng)公司，均對其最新芯片技術(shù)做了詳細解讀。

本屆Hot Chips會議上，除了IBM、三星、高通等芯片制造巨頭向世界展示了他們最新一代的芯片以外，還有臺積電分享其最先進的3D封裝技術(shù)、新思科技CEO談如何借助AI設(shè)計芯片、Cerebras研發(fā)出世界上最大的芯片等諸多亮點。

臺積電介紹了SoIC、InFO和CoWoS等臺積電3DFabric技術(shù)平臺的封裝技術(shù)，公布了CoWoS封裝技術(shù)的路線圖，并且展示了為下一代小芯片架構(gòu)和內(nèi)存設(shè)計做好準(zhǔn)備的最新一代CoWoS解決方案，包括先進熱處理和COUPE異構(gòu)集成技術(shù)。

以下為臺積電芯片封裝技術(shù)演講PPT：

臺積電 CSoIC、InFO和CoWoS等3DFabric技術(shù)

3DFabric概述

臺積電3D Fabric先進封裝技術(shù)涵蓋2.5D和垂直模疊產(chǎn)品，如下圖所示。

集成的FanOut (InFO)封裝利用了由面朝下嵌入的模具組成的重構(gòu)晶圓，由成型化合物包圍。 在環(huán)氧晶片上制備了再分布互連層(RDL)。(InFO- l是指嵌入在InFO包中的模具之間的硅“橋晶片”，用于在RDL金屬化間距上改善模具之間的連接性。) 2.5D CoWoS技術(shù)利用microbump連接將芯片(和高帶寬內(nèi)存堆棧)集成在一個插入器上。最初的CoWoS技術(shù)產(chǎn)品(現(xiàn)在的CoWoS- s)使用了一個硅插入器，以及用于RDL制造的相關(guān)硅基光刻;通過硅通道(TSV)提供與封裝凸點的連接。硅插入器技術(shù)提供了改進的互連密度，這對高信號計數(shù)HBM接口至關(guān)重要。最近，臺積電提供了一種有機干擾器(CoWos-R)，在互連密度和成本之間進行權(quán)衡。 3D SoIC產(chǎn)品利用模塊之間的混合粘接提供垂直集成。模具可能以面對面的配置為向?qū)?。TSV通過(減薄的)模具提供連接性。

InFO和CoWoS產(chǎn)品已連續(xù)多年大批量生產(chǎn)。CoWoS開發(fā)中最近的創(chuàng)新涉及將最大硅插入器尺寸擴展到大于最大光罩尺寸，以容納更多模具（尤其是HBM堆棧），將RDL互連拼接在一起。

SoIC Testchip

臺積電分享了最近的SoIC資格測試工具的結(jié)果，如下所示。

使用的配置是(N5)CPU裸片與(N6)SRAM裸片在面對背拓?fù)渲械拇怪苯雍?。（事實上，一家主要的CPU供應(yīng)商已經(jīng)預(yù)先宣布了使用臺積電的SoIC將垂直“最后一級”SRAM緩存芯片連接到CPU的計劃，該芯片將于2022年第一季度上市。）

SoIC設(shè)計流程

垂直模具集成的高級設(shè)計流程如下圖所示：

該流程需要同時關(guān)注自上而下的系統(tǒng)劃分為單獨的芯片實施，以及對復(fù)合配置中的熱耗散的早期分析，如上所述。

熱分析的討論強調(diào)了BEOL PDN和互連的低熱阻路徑與周圍電介質(zhì)相比的“chimney”性質(zhì)，如上所示。具體而言，臺積電與EDA供應(yīng)商合作提高SoIC模型離散化技術(shù)的準(zhǔn)確性，在最初通過粗網(wǎng)格分析確定的特定“熱點”區(qū)域應(yīng)用更詳細的網(wǎng)格。 臺積電還提出了一種方法，將熱分析結(jié)果納入SoIC靜態(tài)時序分析降額因子的計算。就像片上變化(OCV)依賴于(時鐘和數(shù)據(jù))時序路徑所跨越的距離一樣，SoIC路徑的熱梯度也是一個額外的降額因素。臺積電報告說，一個路徑的模上溫度梯度通常為~5-10C，一個小的平滑降額溫度時間裕度應(yīng)該足夠了。對于SoIC路徑，~20-30C的大梯度是可行的。對于溫差較小的路徑，覆蓋此范圍的平坦降額將過于悲觀——應(yīng)使用 SoIC 熱分析的結(jié)果來計算降額因子。

SoIC測試

IEEE 1838標(biāo)準(zhǔn)化工作與模對模接口測試(link)的定義有關(guān)。 與用于在印刷電路板上進行封裝到封裝測試的芯片上邊界掃描鏈的IEEE 1149 標(biāo)準(zhǔn)非常相似，該標(biāo)準(zhǔn)定義了每個芯片上用于堆棧后測試的控制和數(shù)據(jù)信號端口。該標(biāo)準(zhǔn)的主要重點是驗證在SoIC組裝過程中引入的面對面鍵合和TSV的有效性。 對于SoIC芯片之間的低速I/O，這個定義已經(jīng)足夠了，但是對于高速I/O接口，需要更廣泛的BIST方法。

用于SoIC的TSMC Foundation IP–LiteIO

TSMC的庫開發(fā)團隊通常為每個硅工藝節(jié)點提供通用I/O單元(GPIO)。對于SoIC配置中的die-to-die連接，驅(qū)動程序負(fù)載較少，臺積電提供了“LiteIO”設(shè)計。如下圖所示，LiteIO設(shè)計側(cè)重于優(yōu)化布局以減少寄生ESD和天線電容，從而實現(xiàn)更快的裸片之間的數(shù)據(jù)速率。

EDA啟用

下圖列出了最近與主要EDA供應(yīng)商合作為InFO和SoIC封裝技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵工具功能。

總結(jié)

臺積電繼續(xù)大力投資2.5D/3D先進封裝技術(shù)開發(fā)。最近的主要舉措集中在3D SoIC直接芯片貼裝的方法上——即分區(qū)、物理設(shè)計、分析。具體來說，早期熱分析是必須的步驟。此外，臺積電還分享了他們的SoIC eTV資質(zhì)測試芯片的測試結(jié)果。2022年將見證3D SoIC設(shè)計的快速崛起。

審核編輯 ：李倩