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2.5D封裝，下一步是什么？

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2.5D封裝，下一步是什么？

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本文由半導體產業縱橫（ID：ICVIEWS）編譯自semiengineering
中介層和橋接器的構建和組裝方式正在經歷根本性的變革 。

中介層和橋接器作為在先進封裝中互連多個芯片和芯粒的兩個關鍵元件 ， 其構建和組裝方式正在經歷根本性的變革 。
中介層正變得越來越厚且日益復雜 ， 而橋接器則被用于降低組裝成本 。 這兩種方案都面臨著新的挑戰 。
中介層實際上是組裝多個組件的平臺——就像一個微型的PCB 。 如今其主要材料是硅 ， 即使是在較舊的工藝節點上制造 ， 其尺寸也使其價格昂貴 。 它們通常在處理高密度互連的同時 ， 將I/O、電源和接地傳輸到下方的封裝基板 。
與此同時 ， 硅橋接器提供了芯片或芯粒之間的高密度互連 ， 這些橋接器嵌入在有機中介層或基板中 。 硅提供了目前最高密度的互連 ， 因此與硅中介層相比 ， 橋接器的設計理念在于它們可以做到體積小且價格低廉 。 然而 ， 組裝良率問題推遲了橋接器最終有望實現的成本優勢 。

圖1：中介層與橋接器 。中介層是大型硅平臺 ， 而橋接器是嵌入在有機中介層或基板中的小塊硅片 。
中介層的層數越來越多AI正在推動中介層的復雜性 。 “我們現在看到中介層變得更厚 ， 擁有更多的金屬層 ， 以適應AI和高性能計算(HPC)芯粒所需的密集布線和高電流路徑 ， ”YieldWerx首席執行官Aftkhar Aslam表示 。
如今典型的中介層多達4層 。 少數甚至會達到10層 ， 隨著新一代HBM內存和更寬接口的出現 ， 這些更厚的中介層將變得更加普遍 。
“在HBM4之后 ， 我們需要8到9個金屬層 ， ”聯華電子(UMC)先進封裝總監Pax Wang說 。
然而 ， 這些額外的層數增加了成本 。 “中介層厚度持續減小以實現更短的互連路徑和更好的信號完整性 ， ”日月光集團(ASE Group)高級總監Lihong Cao表示 ， “但在中介層厚度與機械強度及翹曲度之間存在一個平衡 。 ”
UMC的Wang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 ， 那將會引起一些集成問題 ， ”他說 ， “例如 ， 無論使用有機材料還是氧化物基材料 ， 它們都可能導致翹曲 。 ”
增加層數的挑戰在于保持平整度 。 層數更多的較厚中介層容易發生彎曲 。 但這并非不可逾越的障礙 。
“只要實施適當的薄膜應力技術 ， 平整度是可以控制的 ， ”Skywater Technology佛羅里達晶圓廠高級副總裁兼總經理Bassel Haddad說 ， “但隨著重布線層(RDL)數量的增加 ， 這確實會變得更加困難 。 ”
有源中介層的興起目前使用的中介層絕大多數是無源的 。 它們的作用僅僅是提供互連 ， 主要特征是金屬線路 。 然而 ， 硅中介層是由半導體材料制成的 ， 其半導體特性可以用于制造晶體管 。
“有源中介層正在獲得更多的采用 ， 特別是在集成電源管理、I/O和光學的AI/HPC應用中 ， ”日月光的Cao表示 ， “由于在成本、良率和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 。 ”
這將使中介層既是互連平臺 ， 也是一個裸片 。 此時必須在支持所需晶體管性能的中介層工藝節點與在已選定的中介層節點上構建電路之間做出決定 。 鑒于在先進節點上制造巨大硅中介層的極端成本 ， 后者通常會占主導地位 。
事實證明 ， 英特爾可能已經在這樣做了 。 “他們有的版本 ， 你看著會說它是一個中介層 ， 但實際上是一個有源裸片 ， ”安靠科技芯粒/FCBGA集成副總裁Mike Kelly說 ， “然后你在它上面放置另一個功能裸片 。 ”
【2.5D封裝，下一步是什么？】常被提及作為中介層候選電路的是電源管理 ， 這涉及性能適中的模擬和數字晶體管 。 信號調節電路和SRAM——特別是作為緩存——也在研究人員的視野中 。
但有源硅中介層比無源中介層昂貴得多 。 良率現在不僅僅意味著擁有可用的金屬線路 。 晶體管也必須表現良好 。 “有源中介層引入了功能測試要求、電氣隔離風險和裸片級修復策略 ， 將原本的機械或寄生良率問題擴展為電氣問題 ， ”YieldWerx的Aslam說 。
有源中介層需要更多測試如今的主流中介層流程不足以生產高質量、可靠的有源中介層 。 現在不僅需要簡單的開路/短路測試 ， 還需要功能測試 ， 這些測試可能涉及模擬和數字電路 。
電路之間也可能需要電氣隔離——這是無源中介層不需要考慮的 。 這使得目前專注于沉積和圖案化氧化物及金屬的工藝變得復雜 。 深溝槽電容器也越來越多地被應用 ， 它們是有助于保持信號純凈的無源元件 。 溝槽也可能被用于防止電路相互干擾 。
由于此類中介層成本高昂 ， 其良率至關重要 ， 這對最大的中介層來說已經是一個挑戰 。 添加電路增加了測試期間出現故障的風險 。 裸片級修復方案可以幫助避免丟棄原本可能會報廢的中介層 。
“對于OSAT(外包半導體組裝和測試)和測試廠商來說 ， 檢測策略也在演變 ， ”Aslam指出 ， “X射線和紅外成像現在輔以電氣連續性和信號完整性監控 。 ”
邁向有源中介層的一步是將其他芯粒嵌入基板或中介層中 ， 而不是安裝在頂部 。 “利用橋接裸片技術 ， 設計人員可以將PMIC、電容器和電感器集成到基板或中介層中 ， 使其更加節能 ， ”Wang說 。
盡管成本增加 ， 有源中介層仍有潛在的勝利空間 。 “所謂的智能中介層的想法可能不會消失 ， 盡管它非常昂貴 ， ”Kelly說 ， “但一旦你用晶體管觸碰它 ， 那個中介層晶圓就值錢多了 。 ”
光子學利用中介層不太常見的是光子中介層 ， 例如Lightmatter的Passage ， 它本質上是一個可以安裝電子芯片和芯粒的平臺 。 該中介層執行電轉光和光轉電的轉換 ， 使其成為一個有源中介層 。
“其中可以有模擬電路 ， ”Lightmatter產品副總裁Steve Klinger說 ， “用于穩定各種光子元件的所有控制電路都集成在Passage內部的CMOS中 。 可以把它看作是一個有源光學中介層 。 ”
除了轉換組件外 ， 所有光子控制電路都內置于中介層中 ， 進一步鞏固了其有源地位 。 該公司設想其他模擬電路也可以在那里找到歸宿 。
由于光的一個關鍵特性 ， 光學中介層可以用比電氣中介層更少的層數生存 。 “光子學的有趣之處在于波導可以相互交叉 ， 這沒問題 ， ”Klinger說 。
這可以大大簡化布線 ， 消除為了促進信號交叉而可能需要的層 。
這些中介層可能非常大 。 Lightmatter正在研發8倍光罩尺寸的中介層 。 這需要光罩拼接技術 ， 該公司表示對此擁有專利 。
避免硅的高昂成本圍繞2.5D封裝的許多活動都涉及降低中介層成本 。 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方面都更便宜 ， 因為它們是在面板上而不是晶圓上制造的 。 硅需要的背面研磨等工藝步驟(用于暴露硅通孔TSV)對于有機版本來說是不必要的 。
然而 ， 像封裝基板這樣的有機組件通常具有10μm的金屬線寬和間距 ， 這對于中介層互連密度來說是不夠的 。 移動到5μm的線寬和間距需要潔凈室 。 當然 ， 晶圓代工廠擁有這樣的潔凈室 ， 但如果OSAT想要構建這些中介層 ， 潔凈室意味著巨大的投資 。
味之素堆積膜使更高性能的有機中介層成為可能 ， 它支持比基板和PCB中常見的舊材料更高的速度 。 盡管從材料角度來看它仍然比硅便宜 ， 但它比那些舊材料要貴得多 。
鑒于焊盤間距日益緊密 ， 在集成3D堆疊(如HBM)時使用有機材料來降低成本更加困難 。 開發這種能力的努力正在進行中 ， 但目前仍處于研究階段 。
“我相信在某個時候 ， 硅中介層和有機中介層將共存 ， 但它們將向有機中介層轉移 ， ”Skywater的Haddad說 ， “當需要特定功能時 ， 你會看到硅中介層 。 ”
玻璃也可以在面板上以較低成本制造 ， 目前也在考慮之中 。 然而 ， 這還需要幾年的時間 。 Wang提醒道：“玻璃中介層進入生產可能還需要幾年的時間 。 ”
玻璃不能用于電活性中介層 ， 但它可以承載光子元件 。 “優勢在于信號損耗更少 ， 特別是對于光信號 ， 以及易于光的穿透、切換、轉換和傳輸 ， ”Wang說 。
該行業尚未為玻璃做好準備 。 “玻璃需要一個龐大的生態系統來配置所有設備和標準化 ， ”Haddad說 ， “我們預計它們將在2027/2028年的時間框架內出現 。 ”
橋接器尚未釋放低成本優勢最有希望的成本降低方法之一是使用硅橋接器代替硅中介層 。 每個橋接器都小得多 ， 這實現了高良率 。 一個(或幾個)橋接器的成本將遠低于一個硅制中介層的成本 。
“與全中介層相比 ， 嵌入式硅橋接器以更低的成本提供了高密度互連和更短的延遲 ， ”Cao說 。
其理念是將橋接器嵌入有機材料中——通常是封裝基板 ， 也可以是有機中介層 。 在有機材料中創建一個空腔 ， 然后插入橋接器 ， 對其進行對齊 ， 以便放置在橋接器上的封裝焊盤能夠良好接觸 。
鑒于總是會有封裝基板 ， 有些人可能認為沒必要使用中介層 。 “正在進行的討論包括 ， ‘為什么不忘掉中介層 ， 直接使用ABF基板 ， 或者將其與DTC和橋接裸片結合到基板中？’”Wang說 。
這就是今天最大的挑戰所在——對齊 。 事實證明這相當具有挑戰性 ， 且良率很低 。 這就是導致橋接器的凈成本可能高于硅中介層的原因 。 問題不在于橋接器本身 ， 而在于糟糕的組裝良率 。
對齊不僅對于橋接器頂部的芯片是必要的 。 鑒于橋接線路是直的 ， 芯粒之間必須相互對齊 。 但在這種情況下偏移很常見 ， 這意味著由于裸片移位 ， 橋接器中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表示它可以修復這種偏移 。 “當你放置這些橋接器時 ， 會有一些偏移 ， 這就是部分良率問題的來源 ， ”Multibeam技術副總裁Ted Prescop說 ， “我們可以在其上進行圖案化并適應偏移 。 ”
該技術可以創建以納米(少至30納米)為單位測量的線寬/間距尺寸 ， 而不是標準光刻圖案化提供的微米級尺寸 。 挑戰在于每個裸片必須單獨圖案化 ， 這會影響吞吐量 。

圖2：用于校正裸片放置偏移的直寫電子束 。
雖然這看起來工作量很大 ， 但可能比報廢單元要好 。 “替代方案是將特征做得足夠大 ， 即使有機械偏移 ， 你也擁有足夠大的著陸焊盤來包含該偏移 ， ”Prescop指出 ， “但那樣你就失去了小特征帶來的許多好處 。 ”如果能解決成本更高的良率問題 ， 增加的拼接成本可能是值得的 。
硅目前仍是首選暫時而言 ， 硅中介層仍然是2.5D集成的主要現有技術 ， 這一過程如今由少數幾家大公司主導 。 有機中介層正在積聚動力 ， 隨著時間的推移可能會從硅中介層那里分得一杯羹 ， 但不會完全取代 。 與此同時 ， 玻璃尚未達到量產規模 。
至于橋接器 ， 其潛力尚未完全實現 。 良率是需要解決的大問題 。 那里的成功應該有助于降低2.5D集成的成本 。 如果可能的話 ， 將它們嵌入基板而不是中介層中也應該會帶來成本節約 。
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