芯耀
245
“先進封裝”是半導體產(chǎn)業(yè)近年來的熱詞之一，也掀起了封裝技術發(fā)展史上的第三次技術躍進。有人對它有一個形象比喻“攤大餅不行了，做一下千層餅試試吧”。 為什么這么說？以2.5D、3D封裝為代表的、結合了芯片堆疊和異構封裝等技術的先進封裝，正在為摩爾定律指揮棒下的芯片實現(xiàn)爭取更優(yōu)方案。<與非網(wǎng)>對話英特爾院士/封裝研究與系統(tǒng)解決方案總監(jiān)Johanna Swan，就先進封裝的關鍵技術、發(fā)展方向等問題進行了深入交流。
為什么需要先進封裝？
多年來，業(yè)界并沒有在先進封裝上投入太多精力，但近年來情況發(fā)生了變化。Johanna Swan指出，由于先進封裝技術能夠集成多種制程工藝的計算引擎，實現(xiàn)類似于單晶片的性能，但其平臺范圍遠遠超過單晶片集成的晶片尺寸限制。這些技術將大大提高產(chǎn)品級性能和功效，縮小面積，同時對系統(tǒng)架構進行全面改造。正因如此，先進封裝成為各公司打造差異化優(yōu)勢的一個重要領域，以及提升性能、提高功率、縮小外形尺寸和提高帶寬的機會。
從Intel 的先進封裝技術路線圖可以看出，三大維度是未來方向：X軸代表功率效率，Y軸代表互連密度，Z軸代表可擴展性。
?
多區(qū)塊異構集成提升功率效率
Johanna Swan介紹，單獨IP的異構集成能夠帶來更大量的更小區(qū)塊，它們可以大量重復使用，開發(fā)時間從單片式集成SoC的3-4年、多晶片2-3年縮短至1年，并且芯片缺陷率進一步降低。這樣一來，便于根據(jù)客戶的獨特需求定制產(chǎn)品，滿足產(chǎn)品快速的上市需求。
多區(qū)塊異構集成能夠解決芯片設計和制造的諸多限制，但與此同時，它所帶來的影響也是深遠的，主要體現(xiàn)在兩方面：一是晶片間互連的微縮從焊接轉到混合結合（Hybrid Bonding），二是大量區(qū)塊轉變到按批次組裝的精確放置，這樣又帶來了新的挑戰(zhàn)。
大量區(qū)塊如何保持制造流程以相同的速度進行？有更多的晶片需要放置，能否在一次只放置一個晶片的基礎上加快速度？英特爾正在考慮的解決方案是批量組裝/自組裝。
目前，英特爾正在與法國原子能委員會電子與信息技術實驗室（CEA-LETI）合作，研究一次放置多個晶片，進行確定性對齊，并使用超小的晶片，進行快速放置，通過批次組裝，實現(xiàn)拾取更多、并放置更多晶片。Johanna Swan通過一個視頻介紹了自組裝的大概機制：把晶片放在一個能夠將自身恢復到最低能量狀態(tài)的位置，這時就不需要設備，只需要讓它足夠接近、試圖達到最低限度的能量狀態(tài)時，就會自己組裝、放置到位。在英特爾的封裝技術路線圖中，最新增加了混合結合自組裝研究為未來的方向。
為異構計算而生的混合結合技術
在英特爾的封裝技術路線中，混合結合是一種在相互堆疊的芯片間獲得更密集互連的方法，并且能夠幫助實現(xiàn)更小的外形尺寸。
當前的Foveros技術能實現(xiàn)的是凸點間距 50 微米，這將使每平方毫米有大約 400 個凸點。 由于面積隨著凸點間距在微縮，未來，英特爾希望能縮減到大約 10 微米的凸點間距，達到每平方毫米 10000 個凸點。 這樣，就可以實現(xiàn)更小、更簡單的電路，更低的電容和功耗，實際上可以進行相互疊加，不必做扇入（fan-in）和扇出(fan-out)。
?
Johanna Swan表示，混合結合可以說是為異構計算而生的，主要有兩大原因：第一，大多數(shù)封裝技術中使用的是傳統(tǒng)的“熱壓結合（thermocompression bonding）”技術，而混合結合技術是這一技術的替代品。這項新技術能夠加速實現(xiàn)10微米及以下的凸點間距，提供更高的互連密度、帶寬和更低的功率。
第二，先進的處理系統(tǒng)需要高帶寬和子系統(tǒng)（處理器、片上網(wǎng)絡和處理元件）之間的低功耗互連。傳統(tǒng)上，這些子系統(tǒng)都是單片集成在一個芯片上。隨著異構集成技術的發(fā)展，單片集成已經(jīng)不再適用。擴大芯片之間的互連間距對于異構計算的發(fā)展非常重要，而混合結合技術就是解決這一問題的重要技術之一。
混合結合技術已經(jīng)應用于諸如像圖像傳感器和非易失性存儲器等應用，目前，它的商業(yè)應用還局限于晶圓與晶圓之間的結合，并且只能在低能耗的系統(tǒng)中。未來，混合結合會擴展到晶片與晶圓的應用中，以支持計算chiplet、內存chiplet的靈活異構集成，以及未來更高能耗的系統(tǒng)中。
Johanna Swan強調，定制將是下一階段異構集成的重要驅動力。通過將更多不同的節(jié)點或 IP 組合，在不同的制程或節(jié)點上進行集成，通過這種混合搭配，可以為特定客戶進行深度定制。
可擴展性是先進封裝的重要維度
可擴展性是英特爾先進封裝路線的又一個維度，在這個維度上，ODI和CO-EMIB是兩大關鍵技術。
英特爾構建高密度MCP的關鍵基礎技術包括EMIB、Foveros和Co-EMIB。其中，EMIB（嵌入式多芯片互連橋接）2D封裝和Foveros 3D封裝技術利用高密度的互連技術，能夠實現(xiàn)高帶寬、低功耗，并實現(xiàn)相當有競爭力的I/O密度。Co-EMIB則融合了2D和3D，將更高的計算性能和能力連接起來，基本達到單晶片性能。
FOVEROS技術前文已提到過，它作為當前的混合結合技術方式，能夠為密度更高的垂直互連實現(xiàn)更小的尺寸。
那么，ODI又是什么技術呢？它是英特爾全新的全方位的互連技術，能夠為封裝中小芯片之間的全方位互連通信提供靈活性。頂部芯片可以像EMIB技術下與其他小芯片進行水平通信；同時還可以像Foveros技術下，通過硅通孔（TSV）與下面的底部裸片進行垂直通信。這種方法減少了基底晶片中所需的硅通孔數(shù)量，為有源晶體管釋放了更多的面積，并優(yōu)化了裸片的尺寸。
極致的異構集成是半導體封裝未來趨勢
談到先進封裝，小芯片Chiplet是一個必須要探討的話題。Johanna Swan認為，小芯片最重要的事情是它能夠幫助我們獲得越來越小的IP。一旦擁有較小的 IP，它就可以混合在眾多產(chǎn)品中，這可以具有非常高的重用水平，可以根據(jù)放入封裝中的產(chǎn)品進行深度定制。
而定制將是實現(xiàn)下一階段異構集成的驅動力，通過將更多不同的節(jié)點或 IP 組合，在不同的制程或節(jié)點上進行集成， 通過這種混合搭配，可以為特定客戶進行深度定制。
她強調，極致的異構集成是方向，也是封裝技術的未來趨勢。封裝技術將繼續(xù)具有縮小尺寸的特征，能夠將越來越小的 IP 和越來越小的區(qū)塊集合在一起。歸根結底，我們擁有的發(fā)展機會是在每毫米立方體上提供最多的區(qū)塊并獲得每毫米立方體最多的功能，所以我們還沒有走到極限。封裝將繼續(xù)小型化和縮小尺寸，以便獲取有限體積內的最大功能。
?
