異構(gòu)IC封裝：構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施

轉(zhuǎn)向異構(gòu)方法需要在芯片設(shè)計、IC 封測方面建立基礎(chǔ)設(shè)施。

異構(gòu)IC封裝已經(jīng)投入生產(chǎn)，并且越來越多的客戶正在 Amkor 以及其他外包半導(dǎo)體組裝和測試 (OSAT) 供應(yīng)商和代工供應(yīng)商處開發(fā)和驗證其產(chǎn)品。

這種新的多管芯實施例的基本原理已經(jīng)得到充分記錄和討論。歸根結(jié)底，更多的系統(tǒng)內(nèi)容正在轉(zhuǎn)移到軟件包本身中，從而在性能、成本和上市時間 (TTM) 方面帶來好處。由于較小的小芯片的產(chǎn)量更高，因此總硅成本可以降低。異質(zhì)封裝還提供了使用混合硅工藝節(jié)點來進一步優(yōu)化硅成本的機會。雖然異構(gòu) IC 封裝更昂貴，但積極的權(quán)衡/好處是較低的總硅成本和積極的 TTM 優(yōu)勢。轉(zhuǎn)向異構(gòu)方法需要在設(shè)計、IC 和封裝制造以及測試方面建立基礎(chǔ)設(shè)施。

隨著每個 OSAT 和代工廠提供自己的技術(shù)，支持小芯片和異構(gòu)結(jié)構(gòu)的 IC 封裝選項也不斷傳播。結(jié)果，術(shù)語變得相當混亂。值得慶幸的是，這些封裝結(jié)構(gòu)比目前行業(yè)中存在的術(shù)語簡單得多。多芯片產(chǎn)品必須集成到一個功能單元中，這可以在傳統(tǒng)的 IC 封裝基板上完成，也可以通過使用更高密度的集成方法（即晶圓級多芯片模塊、超細線集成或兩者兼而有之）來完成。然后將該模塊附著到 IC 封裝基板上。

第一種選擇以歷史悠久的多芯片模塊 (MCM) 為代表，該模塊已投入生產(chǎn)數(shù)十年，現(xiàn)代設(shè)計趨向于在基板上采用更高的硅和無源密度。高密度集成方法的第二個選擇是創(chuàng)建集成芯片或小芯片的模塊，這需要芯片間接口的超細線路布線。如今，這些是 (A) 基于硅中介層的模塊 - 2.5D 硅通孔 (TSV)、(B) 基于高密度扇出 (HDFO) 多層再分布層 (RDL) 方法的模塊，或 (C) 具有橋接器的模塊，如圖 1 所示。

圖 1：a) 2.5D TSV（硅中介層，b）HDFO (S-SWIFT) RDL 中介層，c) 橋 (S-Connect)（RDL+ 橋）。

異構(gòu) IC 封裝設(shè)計

基于 HDFO 內(nèi)插器的模塊已通過內(nèi)部認證，是客戶產(chǎn)品，并且正在認證中。由于向小芯片的過渡剛剛開始，市場上使用 HDFO 內(nèi)插器的不同設(shè)備的數(shù)量仍然有限。然而，市場正在發(fā)生變化，大多數(shù)已經(jīng)在生產(chǎn)高端單片或 MCM 設(shè)備的先進封裝客戶要么正在積極驗證 HDFO 中介層，要么正在詢問，以期開始開發(fā)。

在包含HDFO模塊的產(chǎn)品的初始規(guī)劃階段，重要的是要了解每個設(shè)備都可能被視為“定制”。雖然認證范圍可能包括正在考慮的整體模塊和封裝尺寸，但每個器件都有獨特的挑戰(zhàn)。因此，幾乎每個新設(shè)備都有測試車輛的迭代。隨著越來越多的測試車輛（TV）成功完成，并且更多可能的設(shè)計空間品種通過認證，有可能直接進入產(chǎn)品認證階段，但目前強烈建議使用 TV。

第一個通常使用TV。是菊花鏈芯片或至少是凸塊虛擬芯片，以允許發(fā)現(xiàn)模塊中多芯片布局的任何獨特特征。評估中介層載體和包覆成型晶圓級翹曲就是一個很好的例子。機械仿真可用于估計翹曲，但盡管可以模擬全晶圓級翹曲，但它對RDL中的金屬密度等也非常敏感?？偸强梢栽谀M中確定趨勢，但最終評估需要通過實際TV來確定。由于TV的內(nèi)部制造速度相對較快，因此可以快速根據(jù)真實數(shù)據(jù)校準模擬，以便在更改模型或者設(shè)備中的不同元素時可以了解趨勢。通過構(gòu)建機械或菊花鏈TV，可以快速收集數(shù)據(jù)以了解任何工程工作需要集中在哪里。迄今為止，這已在許多TV結(jié)構(gòu)中重復(fù)出現(xiàn)，并且是 Amkor 眾所周知的流程開發(fā)路徑。圖 2a 和 b 顯示了典型的TV方法。

圖 2a：連接到 HDFO 的測試車輛芯片。

圖 2b：連接到封裝基板的測試車輛 HDFO 模塊。

第二臺TV可以是另一個菊花鏈設(shè)備，或者在芯片中具有一些最小的功能或芯片封裝交互 (CPI) 測試結(jié)構(gòu)。盡管芯片可能不具備完整的功能，但設(shè)計本身要么與功能設(shè)計類似，要么實際上就是功能設(shè)計。中介層 RDL 的設(shè)計通常在第一臺TV之前開始，因為芯片之間的小芯片接口仍然是客戶特定的。隨著設(shè)計規(guī)則的不斷改進，尋找最佳布線策略需要客戶和制造商之間的密切合作。根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)目標時間，可能會提供仍在開發(fā)中的更高級的設(shè)計規(guī)則，這將實現(xiàn)初始設(shè)計規(guī)則不允許的布線。每個客戶對設(shè)計流程都有自己的偏好。Amkor 嘗試滿足所有偏好，從僅接收中介層的成品圖形數(shù)據(jù)流 (GDS) 到管理整個設(shè)計流程。

HDFO 中介層設(shè)計流程通常從 Amkor 設(shè)計團隊在 Cadence（SIP/MCM 文件）或西門子 Expedition 中提供的入門數(shù)據(jù)庫開始。起始數(shù)據(jù)庫不是必需的，但會自動啟動標準設(shè)計規(guī)則和必要的設(shè)置，以與 Calibre 設(shè)計規(guī)則檢查 (DRC) 實現(xiàn)進行交互，從而節(jié)省時間。無論使用哪種電子設(shè)計自動化 (EDA) 工具，Amkor 還可以幫助設(shè)置這些參數(shù)。Calibre DRC 規(guī)則平臺可以由 Amkor 或客戶運行，因為它直接在從 EDA 工具導(dǎo)出的 GDS 上運行。

對于更大、更復(fù)雜的中介層，設(shè)計過程可能需要 4 到 12 周。自 Amkor 推出 SWIFT HDFO 技術(shù)以來，EDA 工具多年來得到了顯著改進。動態(tài)填充步驟的處理時間可能比大多數(shù)設(shè)計人員習慣的時間長得多，因此從一開始就預(yù)測生產(chǎn)計劃中的增加時間非常重要。這是由于設(shè)計中存在大量的引腳、跡線和形狀。脫氣通常是設(shè)計發(fā)布之前執(zhí)行的最后操作，具體取決于所需的操作。Amkor 已開發(fā)出可以減少脫氣所需時間的方法，但對于大型設(shè)計，這可能需要數(shù)天的時間。

設(shè)計完成后，將其發(fā)布到 HDFO 生產(chǎn)線以啟動 RDL 構(gòu)建過程。在制造第二臺TV的 HDFO 內(nèi)插器時，通常會在第一臺TV上收集數(shù)據(jù)。這允許在第二臺TV上規(guī)劃任何所需的實驗設(shè)計 (DOE)。并非每個設(shè)備都需要 DOE，但這是至關(guān)重要的一步，以便在開始組裝第二臺TV之前可以標記并修復(fù)或改進。

第二個測試車輛通常用于封裝鑒定。HDFO 模塊已被證明非常堅固，通過了濕度敏感性測試 1 級 (MSL1) 和溫度循環(huán)、條件 C (TCC)（-65°C 至 +150°C）。一旦附著到基材上，更常見的是在 MSL 4 和溫度循環(huán)、條件 G（-40°C 至 +125°C）下進行評估，但使用壓力更大的 TCB（-55°C 至 125°C）進行 > 3000 個溫度循環(huán)也取得了成功。總體而言，就封裝可靠性而言，HDFO 已被證明是一種非常堅固的結(jié)構(gòu)。針對大型封裝的標準高溫存儲 (HTS) 測試（150°C，1000 小時）和標準無偏高加速應(yīng)力測試 (UHAST)（110°C，85% 相對濕度 (RH)，264 小時）在封裝鑒定方面也未發(fā)現(xiàn)任何問題。

多年來，業(yè)界一直致力于研究利用橋接技術(shù)的方法。英特爾的嵌入式多芯片互連橋 (EMIB) 利用放置在有機基板內(nèi)的橋來實現(xiàn)高密度布線，而無需使用硅中介層。Amkor 在這一領(lǐng)域的方法是將橋（硅或其他橋）嵌入到 HDFO 設(shè)計中，這為 HDFO 工具箱帶來了超高密度設(shè)計規(guī)則。Amkor 將此技術(shù)稱為 S-Connect。圖 3 顯示了這兩種設(shè)計技術(shù)的比較。

圖 3：（L) Intel EMIB（圖片由 Intel 提供）（R) Amkor S-Connect

與客戶和行業(yè)合作伙伴合作時，需要進行權(quán)衡分析，在硅中介層、有機 RDL HDFO 和 S-Connect 等橋接解決方案之間做出決定。使用橋的決定必須解決橋芯片（帶或不帶 TSV）和硅集成無源器件（如果有保證）的采購問題。最終客戶還考慮每個解決方案的整體生產(chǎn)準備情況和成熟度。硅中介層最為成熟，因為它們已進行大批量制造 (HVM) 多年，其次是已完成許多成功認證的有機 RDL 和 S-Connect。隨著系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，集成的需求可能會迫使解決方案轉(zhuǎn)向橋接解決方案，例如 S-Connect。

橋梁技術(shù)的三個主要驅(qū)動因素。橋接技術(shù)通過包含用于小芯片到小芯片或芯片到芯片布線的基于硅的高密度布線橋，可以減少 RDL 數(shù)量，從而有可能降低系統(tǒng)成本。橋接技術(shù)還利用晶圓廠光刻技術(shù)，使布線密度低于 1 μm，從而有助于在硅頂部芯片上實現(xiàn)更精細的凸塊間距。最后，橋接技術(shù)的使用允許在同一 3D 位置（見圖 4）創(chuàng)造性地使用嵌入式硅集成無源器件 (IPD)，直接放置在頂部芯片下方，以實現(xiàn)最佳功率傳輸。

HDFO 設(shè)計和制造可采用先芯片或后芯片配置。對于更簡單和更小的設(shè)計，芯片優(yōu)先可能是合適的并且成本較低的方法。Amkor 的 S-Connect 設(shè)計主要路徑采用后芯片方法，以利用后芯片 HDFO 技術(shù)的專業(yè)知識，并盡量減少對客戶芯片的良率影響。

后模 S-Connect 結(jié)構(gòu)由帶有預(yù)制高銅柱的基礎(chǔ) RDL 組成。橋芯片和其他非橋芯片（包括 IPD）面朝上放置，并帶有較小的銅柱。晶圓被模制并平坦化以露出所有銅柱。芯片放置能力是一項關(guān)鍵的工藝要求，隨著任何給定產(chǎn)品中放置的面朝上橋芯片數(shù)量的增加，該能力變得更加復(fù)雜。然后使用有機 RLD 工藝（如 HDFO）執(zhí)行額外的 RDL 處理，并提供用于芯片連接的芯片連接墊。然后通過第二次模具和模具研磨工藝完成晶圓上芯片組裝。然后將晶圓從載體上取下并翻轉(zhuǎn)進行背面處理，其中電鍍受控塌陷芯片連接 (C4) 銅柱。至此，模塊形成完成，并適合用于其他集成模塊的通用過程。

在考慮 S-Connect 而非其他形式的異構(gòu)集成時，橋芯片采購是另一個關(guān)鍵方面?？蛻艨赡芤髽蚪悠鬟€具有 TSV，以便為 I/O PHY 提供電源和接地。這些 TSV 承載橋芯片的采購和加工將使 S-Connect 模塊的晶圓級制造更加復(fù)雜。Amkor 擁有豐富的 TSV 工藝經(jīng)驗，包括大量可供選擇的化學機械平坦化 (CMP)/背面鈍化配方，可最大程度地減少 TSV 軸承橋制備過程中所需的開發(fā)工作。

目前，有兩個內(nèi)部TV用于 S-Connect 開發(fā)。三個芯片模塊的開發(fā)和內(nèi)部鑒定已經(jīng)完成，其中包括一個較大的芯片和兩個較小的芯片（如高帶寬內(nèi)存 (HBM)）。該模塊具有兩個橋芯片和多個測試芯片，用于模擬非 TSV 承載 IPD 芯片的放置。在更大規(guī)模上，模塊TV的開發(fā)正在使用 10 個頂部芯片和 10 個橋芯片。該演示針對的是非常大的模塊，這些模塊從硅橋芯片的使用中獲益最多。該TV預(yù)計將于 2023 年獲得可靠性結(jié)果。圖 4 顯示了兩臺 S-Connect 測試車輛。

圖 4：S-Connect 測試車輛的類型。

Amkor 一直在為異構(gòu)集成的下一次發(fā)展做準備，我們相信，隨著需要更多集成，它將提供獨特的功能來增強 HDFO 和硅中介層解決方案。對于更大的中介層（>2500 mm2），橋接解決方案將有助于保持高良率，因為最高密度要求（以及最高的潛在良率損失）發(fā)生在橋上，而橋接已經(jīng)具有極高的良率。

測試方法

自這些設(shè)計開始以來，Amkor 就一直為異構(gòu)集成產(chǎn)品提供測試服務(wù)。設(shè)計和評估TV的系統(tǒng)方法使測試工程師能夠在產(chǎn)品投入使用之前針對設(shè)計的關(guān)鍵方面進行測試。

所有異構(gòu)小芯片封裝都面臨一些共同的測試挑戰(zhàn)。小芯片互連完整性是一項重要的因素。向封裝內(nèi)每個小芯片傳輸信號和電源需要在制造過程中進行仔細的布局、設(shè)計和測試。封裝材料類型影響小芯片和封裝級暴露的引腳之間的互連性能。這包括靜態(tài)連接質(zhì)量、連續(xù)性、泄漏和瞬態(tài)交流時序、阻抗匹配和信號串擾。在精心設(shè)計的整體產(chǎn)品架構(gòu)中，對產(chǎn)品所有功能方面的可測試性設(shè)計 (DFT) 訪問是一個重要的考慮因素。

由于小芯片溫度不均勻?qū)е碌臒崽荻群艹Ｒ姟Ｊ芸?、管理和可重?fù)的生產(chǎn)測試環(huán)境可確保為未來的產(chǎn)品設(shè)計迭代提供準確的反饋和一致的產(chǎn)量。

結(jié)論

使用 MCM 和古老的 2.5D TSV 硅中介層方法的異構(gòu)集成已投入生產(chǎn)多年。向基于異構(gòu)小芯片的集成的過渡才剛剛開始。

為了集成小芯片，典型的設(shè)計必須在芯片之間具有高帶寬接口，這通常需要精細的凸塊間距（≤55 μm）、高信號速率和短總線長度。HDFO 和 S-Connect 設(shè)計為這些集成提供了經(jīng)濟高效的途徑。典型的設(shè)計小于 2500 mm2，但目前的趨勢是朝著更大尺寸和更高芯片數(shù)量發(fā)展。

對于較大的模塊，使用橋是有意義的。由于 RDL 產(chǎn)量，使用極細線 RDL 的大型模塊（>2500 mm2）成本會更高。使用極高產(chǎn)量的橋在芯片之間提供最精細的布線，并結(jié)合其他地方較低密度的 RDL，由于預(yù)期總產(chǎn)量較高，因此將是更好的經(jīng)濟權(quán)衡。橋接封裝解決方案正在開發(fā)中，目標是在 2023 年和 2024 年獲得客戶資格。HDFO 小芯片集成已通過內(nèi)部資格認證，HDFO 已準備好接受客戶參與和產(chǎn)品資格認證。針對異構(gòu)集成產(chǎn)品的一流測試服務(wù)完善了整個制造過程。