2.5D封裝的下半場：押注中介層，還是攻克橋接器？

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，它們的構造和組裝方式正在發生根本性變化。

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。這兩種方向都面臨著新的挑戰。

中介層實際上是一個平臺，可以在其上組裝多個組件，類似于微型印刷電路板（PCB）。目前主要材料是硅，即使采用較早的工藝節點制造，其尺寸仍導致價格昂貴。中介層通常用于處理高密度互連，同時將I/O（輸入/輸出）信號、電源和接地信號傳輸到下方的封裝基板。

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。然而組裝良率的問題延緩了橋接器最終可能實現的成本優勢。

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。來源：Bryon Moyer/Semiconductor Engineering

中介層越來越多

人工智能（AI）正在推動中介層的復雜性。“我們用更厚、同時有著更多金屬層的中介層來滿足AI和HPC（高性能計算）芯粒所需的高密度布線和強電流通路的需求，”YieldWerx首席執行官Aftkhar Aslam表示。

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

聯電先進封裝總監Pax Wang說，“在HBM4之后，我們需要8~9層金屬層。”

然而，這些額外的層數會增加成本。日月光集團高級總監曹立宏表示：“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。”

聯電的Pax Wang對此表示贊同，他表示，“如果我們想通過增加介電層來增加中介層的厚度，就會引發一些集成問題。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。”

增加層數帶來的挑戰在于保持平整度。層數更多、更厚的中間層容易發生彎曲。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理Bassel Haddad表示，“但隨著RDL（重布線層）層數的增加，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。

日月光的曹立宏表示：“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，目前它主要局限于高端和定制解決方案。”

這將使中介層既作為互連平臺，也作為芯片使用。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點，二是直接在已選定的中介層節點上構建電路。考慮到在領先節點上制造大型硅中介層的極高成本，后者通常會占據主導地位。

事實證明，英特爾可能已經在這么做了。“他們有不同版本的Foveros封裝，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（安靠）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。”

電源管理集成電路（PMIC）經常被提及，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字晶體管。信號調理電路和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流程不足以生產高質量、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字電路。

電路之間可能也需要電氣隔離，但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。增加電路會增加測試過程中出現故障的風險。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。

yieldWerx公司的Aslam指出：“對于外包封裝和測試公司（OSAT）以及測試機構而言，檢測策略也在不斷發展。如今，除了X射線和紅外成像之外，電氣連續性和信號完整性監測也發揮著重要作用。”

實現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，”Pax Wang說道。

盡管成本較高，但有源中介層仍有潛在的優勢。“智能中介層的概念可能不會消失，但它的價格確實很高，”Mike Kelly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，但也能見到，例如Lightmatter公司的Passage平臺，它本質上是一個可以安裝電子芯片和芯片組的平臺。該中介層可以執行電光轉換和光電轉換，因此是一種有源中介層。

Lightmatter公司產品副總裁Steve Klinger表示：“其中可能包含模擬電路，所有用于穩定各種光子元件的控制電路都集成在Passage平臺內部的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。Lightmatter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，”Steve Klinger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。

規避硅的高昂成本

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廠商想要自行生產這些中介層，潔凈室則意味著一筆不小的投資。

味之素的ABF（Ajinomoto Build-up Film）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）中常用的傳統材料更高。雖然它比傳統材料貴得多，但從材料成本的角度來看，它仍然比硅便宜。

在集成三維堆疊結構（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。目前正在努力開發相關技術，但這仍處于研究階段。

Skywater公司的Bassel 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，距離真正投入生產還有數年時間。“玻璃中介層距離量產可能還有好幾年的時間，”Pax Wang提醒道。

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

但目前玻璃行業尚未做好迎接玻璃中介層的準備。“玻璃需要一個龐大的生態系統來建立所有設備和標準化體系，”Bassel Haddad說，“我們預計這些將在2027/2028年左右出現。”

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。

曹立宏表示：“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。”

其思路是將橋接結構嵌入有機材料中——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。然后插入橋接結構，并調整其位置，使封裝上的焊盤與橋接結構良好接觸。

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）結合使用，并將芯片橋接到基板上呢？’的這類問題，”Pax Wang說道。

而這就引出了當今的巨大挑戰——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。

對準并非僅對橋接芯片上方的芯片時才需要。在橋接線筆直的情況下，芯片組之間也必須對準。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。“在架設這些橋接結構時，會出現一些偏移，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30nm）的線/間距，而傳統光刻技術只能制造微米級的線/間距。但其挑戰在于，每個芯片都必須單獨進行圖案化，這會影響生產效率。

圖2：利用直寫入電子束來校正芯片放置位置偏差。來源：Multibeam

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，”Ted Prescop指出，“但這樣一來，你就失去了小特征帶來的很多優勢。如果能解決良率問題，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，該領域目前由少數幾家大型企業主導。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量產。

至于橋接器件，它們的潛力尚未得到充分發揮。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，也應該能夠節省成本。