2.5D封裝的下一步

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中介層和橋接器是先進封裝中連接多個芯片和芯片組的兩個關鍵元件，它們的構(gòu)造和組裝方式正在發(fā)生根本性的變化。

中介層正變得越來越厚、越來越復雜，而橋接技術則被用來降低組裝成本。這兩種努力都面臨著新的挑戰(zhàn)。

中介層實際上是一個平臺，可以在其上組裝多個組件，類似于微型PCB。目前主要材料是硅，即使采用較早的工藝節(jié)點制造，其尺寸也使其價格昂貴。它們通常用于處理高密度互連，同時將I/O、電源和接地信號傳遞到下方的封裝基板。

同時，硅橋接技術可在嵌入有機中介層或基板中的芯片或芯片組之間實現(xiàn)高密度互連。硅是目前互連密度最高的材料，因此，硅橋接技術的設計理念在于使其體積小、成本低，這與硅中介層形成鮮明對比。然而，組裝良率問題延緩了硅橋接技術最終所承諾的成本優(yōu)勢的實現(xiàn)。

圖1 ：中介層與橋接層。中介層是大型硅平臺，而橋接層是嵌入有機中介層或襯底中的小型硅片

中介層越來越多

人工智能正在推動中介層的復雜性。“我們現(xiàn)在看到更厚的中介層，金屬層也更多，以適應人工智能和高性能計算芯片所需的高密度布線和高電流路徑，” YieldWerx首席執(zhí)行官 Aftkhar Aslam 表示。

目前典型的中介層最多有四層。少數(shù)中介層甚至多達十層，隨著新一代HBM內(nèi)存和更寬接口的出現(xiàn)，這種更厚的中介層將變得越來越普遍。

“在 HBM4 之后，我們需要八到九層金屬層，”聯(lián)電先進封裝總監(jiān) Pax Wang 說。

然而，這些額外的層數(shù)會增加成本。日月光集團高級總監(jiān)曹立宏表示：“為了縮短互連路徑并提高信號完整性，中介層厚度不斷減小。但是，中介層厚度與機械強度和翹曲度之間需要取得平衡。”

聯(lián)電的王先生對此表示贊同。“如果我們想通過增加介電層來增加中介層的厚度，就會引發(fā)一些集成問題，”他說道。“例如，無論使用有機材料還是氧化物基材料，都可能導致翹曲。”

增加層數(shù)帶來的挑戰(zhàn)在于保持平整度。層數(shù)更多、更厚的中間層容易發(fā)生彎曲。但這并非不可克服的障礙。

“只要采用合適的薄膜應力控制技術，就能控制平整度，”Skywater Technology佛羅里達工廠高級副總裁兼總經(jīng)理Bassel Haddad表示。“但隨著RDL層數(shù)的增加，難度也會隨之增加。”

有源中介層正在興起

目前使用的中介層絕大多數(shù)是無源的。它們的作用僅限于提供互連，其主要特征是金屬線。然而，硅中介層由半導體材料制成，其半導體特性可以應用于晶體管。

日月光的曹先生表示：“有源中介層正得到越來越廣泛的應用，尤其是在集成電源管理、I/O 和光器件的 AI/HPC 應用中。但由于成本、良率和散熱管理方面的關鍵挑戰(zhàn)，目前它主要局限于高端和定制解決方案。”

這樣一來，中介層就既是芯片又是互連平臺。接下來必須在兩種方案之間做出選擇：一是選擇能夠支持所需晶體管性能的中介層工藝節(jié)點，二是直接在已選定的中介層節(jié)點上構(gòu)建電路。考慮到在領先節(jié)點上制造大型硅中介層的極高成本，后者通常會占據(jù)主導地位。

事實證明，英特爾可能已經(jīng)在這么做了。“他們有[Foveros]的版本，你一看會覺得它是一個中介層，但實際上它是一個有源芯片，” Amkor Technology負責芯片組/FCBGA集成的副總裁Mike Kelly說。“然后你再在上面放置另一個功能芯片。”

電源管理電路經(jīng)常被提及，被認為是可作為中介層的候選電路，它涉及性能一般的模擬和數(shù)字晶體管。信號調(diào)理電路和SRAM（尤其是作為緩存）也是研究人員關注的重點。

但有源硅中介層比無源硅中介層貴得多。如今，良率不僅僅意味著擁有合格的金屬線，晶體管的性能也必須出色。“有源中介層引入了功能測試要求、電氣隔離風險和芯片級修復策略，將以前機械或寄生效應導致的良率問題擴展到了電氣方面，”yieldWerx公司的Aslam說道。

有源中介層需要更多測試

目前主流的中介層生產(chǎn)流程不足以生產(chǎn)高質(zhì)量、高可靠性的有源中介層。如今，除了簡單的開路/短路測試外，還需要進行功能測試，而且這些測試可能涉及模擬電路和數(shù)字電路。

電路之間可能也需要電氣隔離——這對于無源中介層來說并不適用。這使得目前主要集中于氧化物和金屬沉積及圖案化的工藝變得復雜。深溝槽電容器也越來越多地被應用，但它們是無源元件，有助于保持信號的純凈度。溝槽也可能是防止電路相互干擾的必要措施。

由于此類中介層成本高昂，其良率至關重要，而對于尺寸最大的中介層來說，這本身就是一個挑戰(zhàn)。增加電路會增加測試過程中出現(xiàn)故障的風險。芯片級修復方案有助于避免原本可能失效的中介層被報廢。

阿斯拉姆指出：“對于外包組裝和測試公司（OSAT）以及測試機構(gòu)而言，檢測策略也在不斷發(fā)展。如今，除了X射線和紅外成像之外，電氣連續(xù)性和信號完整性監(jiān)測也發(fā)揮著重要作用。”

實現(xiàn)有源中介層的一個步驟是將其他芯片嵌入基板或中介層中，而不是將其安裝在其上方。“利用橋接芯片技術，設計人員可以將電源管理集成電路（PMIC）、電容器和電感器集成到基板或中介層中，從而提高其能效，”王教授說道。

盡管成本較高，但有源中介層仍有潛在的優(yōu)勢。“智能中介層的概念可能不會消失，但它的價格確實很高，”凱利說。“不過，一旦將晶體管連接到中介層上，這片中介層晶圓的價值就會大大提升。”

光子學可以使用中介層

光子中介層雖然不太常見，但也很常見，例如 Lightmatter 公司的 Passage，它本質(zhì)上是一個可以安裝電子芯片和芯片組的平臺。該中介層可以執(zhí)行電光轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換，因此是一種有源中介層。

Lightmatter公司產(chǎn)品副總裁史蒂夫·克林格表示：“其中可能包含模擬電路。所有用于穩(wěn)定各種光子元件的控制電路都集成在Passage內(nèi)部的CMOS芯片中。你可以把它想象成一個有源光中介層。”

除了轉(zhuǎn)換組件外，所有光子控制電路都集成在中介層中，進一步鞏固了其有源特性。該公司設想未來其他模擬電路也能集成到該中介層中。

由于光的一個關鍵特性，光中介層所需的層數(shù)可以比電中介層少。“光子學的有趣之處在于，波導可以相互交叉，而且這沒有問題，”克林格說。

這樣可以大大簡化布線，消除原本可能為了方便信號交叉而需要的層級。

這些中介層可能相當大。Lightmatter公司正在研發(fā)尺寸為瞄準鏡十字線8倍的中介層。這需要進行十字線拼接，該公司聲稱已就此技術獲得專利。

避免硅的高昂成本

2.5D封裝領域的許多活動都圍繞著降低中介層成本展開。一種方法是尋找比硅更便宜的材料。有機中介層在材料和制造成本方面都更低，因為它是在面板上而非晶圓上制造的。硅需要背面研磨來暴露硅通孔（TSV），而有機中介層則無需這些工藝步驟。

封裝基板等有機元件的金屬線間距通常為 10μm，但這不足以滿足中介層互連的密度要求。要實現(xiàn) 5μm 的線間距，則需要潔凈室。代工廠當然擁有這樣的潔凈室，但如果 OSAT 廠商想要自行生產(chǎn)這些中介層，潔凈室則意味著一筆不小的投資。

味之素增材制造膜（ABF）使得高性能有機中介層成為可能，其支持的速度比基板和印刷電路板（PCB）中常用的傳統(tǒng)材料更高。雖然它比傳統(tǒng)材料貴得多，但從材料成本的角度來看，它仍然比硅便宜。

在集成三維堆疊結(jié)構(gòu)（例如 HBM）時，由于焊盤間距越來越小，使用有機材料降低成本變得更加困難。目前正在努力開發(fā)相關技術，但這仍處于研究階段。

Skywater公司的Haddad表示：“我認為硅中介層和有機中介層最終會共存，但它們會逐漸向有機中介層靠攏。只有在需要特定功能時，你才會看到硅中介層。”

玻璃也可以用成本更低的面板制成，因此也在考慮之列。不過，距離真正投入生產(chǎn)還有數(shù)年時間。“玻璃中介層距離量產(chǎn)可能還有好幾年的時間，”王先生提醒道。

玻璃不能用作電活性中介層，但可以承載光子元件。“其優(yōu)勢在于信號損耗更小，尤其對于光信號而言，而且易于實現(xiàn)光的穿透、切換、變換和傳輸，”王教授說道。

目前玻璃行業(yè)尚未做好迎接玻璃的準備。“玻璃需要一個龐大的生態(tài)系統(tǒng)來建立所有設備和標準化體系，”哈達德說。“我們預計這些將在2027/2028年左右出現(xiàn)。”

橋接技術尚未完全降低成本

最有希望降低成本的途徑之一是使用硅橋接器代替硅中介層。每個橋接器的尺寸都小得多，從而可以提高良率。一個橋接器（或多個橋接器）的成本將遠低于一個硅中介層的成本。

曹表示：“與全中介層相比，嵌入式硅橋能夠以更低的成本提供高密度互連和更短的延遲。”

其思路是將橋接結(jié)構(gòu)嵌入有機材料中——通常是封裝基板，但也可能是有機中介層。首先在有機材料中形成一個空腔。然后插入橋接結(jié)構(gòu)，并調(diào)整其位置，使封裝上的焊盤與橋接結(jié)構(gòu)良好接觸。

鑒于封裝基板始終存在，有些人可能會認為中介層并非必要。“目前正在討論諸如‘為什么不放棄中介層，直接使用ABF基板，或者將其與DTC（深溝槽電容器）結(jié)合使用，并將芯片橋接到基板上呢？’”王說道。

而這正是當今最大的挑戰(zhàn)——對準。事實證明，對準難度極大，良率也很低。這使得橋接芯片的凈成本可能超過硅中介層。問題不在于橋接芯片本身，而在于低良率。

對齊并非僅對橋接芯片上方的芯片才需要。在橋接線筆直的情況下，芯片組之間也必須對齊。但在這種情況下，偏移很常見，這意味著由于芯片偏移，橋接芯片上從一個芯片到另一個芯片的直線圖案可能會錯過兩端的一個或兩個焊盤。

Multibeam公司表示可以修復此類偏移。“在架設這些橋接結(jié)構(gòu)時，會出現(xiàn)一些偏移，這也是部分屈服強度問題的原因所在，”Multibeam公司技術副總裁Ted Prescop說道。“我們可以利用這些偏移進行圖案化處理。”

這項技術可以制造納米級（最小可達30納米）的線/間距，而傳統(tǒng)光刻技術只能制造微米級的線/間距。但其挑戰(zhàn)在于，每個芯片都必須單獨進行圖案化，這會影響生產(chǎn)效率。

圖 2 ：采用直接寫入電子束校正芯片放置偏差

雖然這看起來工作量很大，但總比直接報廢要好。“另一種方法是把特征做得非常大，這樣即使存在機械偏移，也能有足夠大的著陸平臺來彌補，”普雷斯科普指出，“但這樣一來，你就失去了小特征帶來的很多優(yōu)勢。”如果能解決良率問題（而良率問題造成的損失更大），那么增加的縫合成本或許是值得的。

硅材料目前仍是首選

就目前而言，硅中介層仍然是2.5D集成領域的主要材料，該領域目前由少數(shù)幾家大型企業(yè)主導。有機中介層正在崛起，隨著時間的推移，可能會從硅中介層手中搶走一部分市場份額，但不會全部被取代。與此同時，玻璃中介層尚未實現(xiàn)量產(chǎn)。

至于橋接器件，它們的潛力尚未得到充分發(fā)揮。良率是亟待解決的關鍵問題。如果能解決這個問題，將有助于降低2.5D集成成本。如果可能，將它們嵌入基板而非中介層中，也應該能夠節(jié)省成本。

https://semiengineering.com/whats-next-for-2-5d-packaging/

（來源：編譯自semiengineering）

*免責聲明：本文由作者原創(chuàng)。文章內(nèi)容系作者個人觀點，半導體行業(yè)觀察轉(zhuǎn)載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業(yè)觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯(lián)系半導體行業(yè)觀察。

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