文章來(lái)源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要講述芯粒設(shè)計(jì)與異質(zhì)集成封裝。

概述

近年來(lái)，芯粒設(shè)計(jì)與異質(zhì)集成封裝技術(shù)受到了行業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注，FPGA（如賽靈思與臺(tái)積電合作的Virtex系列）、微處理器（如AMD的EPYC系列、英特爾的Lakefield系列）等產(chǎn)品，均借助芯粒設(shè)計(jì)與異質(zhì)集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模量產(chǎn)。本文將對(duì)這兩項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹，首先明確片上系統(tǒng)（SoC）、芯粒設(shè)計(jì)及異質(zhì)集成 封裝的定義，并分析其各自的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)。

片上系統(tǒng)(SoC)

片上系統(tǒng)（SoC）是將多種具備不同功能的集成電路，包括中央處理器（CPU）、圖形處理器（GPU）、存儲(chǔ)器等，集成到單一芯片之中，進(jìn)而構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)或子系統(tǒng)。目前業(yè)界最具代表性的SoC產(chǎn)品是蘋(píng)果公司的應(yīng)用處理器（AP）。圖1展示了不同特征尺寸（工藝技術(shù)）的芯片（A10~A17）其晶體管數(shù)量隨年份的變化趨勢(shì)，從中能夠清晰看到摩爾定律的影響——通過(guò)不斷縮小芯片特征尺寸來(lái)增加晶體管數(shù)量，從而拓展芯片的功能邊界。但遺憾的是，隨著技術(shù)的不斷推進(jìn)，依靠縮小特征尺寸（持續(xù)微縮）來(lái)制造SoC的難度越來(lái)越大，同時(shí)成本也大幅攀升。相關(guān)調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，圖2呈現(xiàn)了芯片設(shè)計(jì)成本隨特征尺寸縮?。ㄖ敝?nm）的變化規(guī)律，僅完成5nm特征尺寸芯片的設(shè)計(jì)工作，就需要超過(guò)5億美元的投入，而高良率5nm工藝技術(shù)的研發(fā)更是需要高達(dá)10億美元的資金支持。此外，圖3展示了芯片尺寸對(duì)研發(fā)制造良率的影響，能夠發(fā)現(xiàn)，隨著芯片尺寸的增大，半導(dǎo)體制造的良率會(huì)呈現(xiàn)持續(xù)下降的態(tài)勢(shì)。

芯粒設(shè)計(jì)與異質(zhì)集成封裝方法

芯粒設(shè)計(jì)與異質(zhì)集成封裝是與SoC設(shè)計(jì)理念相對(duì)應(yīng)的一種新型技術(shù)路徑。其核心思路是將傳統(tǒng)的SoC重新拆解設(shè)計(jì)為多個(gè)更小的芯粒，隨后通過(guò)先進(jìn)的封裝技術(shù)，將不同材料制成、具備不同功能、由不同設(shè)計(jì)企業(yè)和代工廠(chǎng)生產(chǎn)，且擁有不同晶圓尺寸、不同特征尺寸的芯粒，集成組裝為一個(gè)完整的系統(tǒng)或子系統(tǒng)（見(jiàn)圖4~圖8）。其中，每一顆芯粒都是一個(gè)由可復(fù)用IP（知識(shí)產(chǎn)權(quán)）模塊組成的功能性集成電路（IC）單元。目前，行業(yè)內(nèi)已形成至少5種不同的芯粒設(shè)計(jì)與異質(zhì)集成封裝方法，具體如下：①芯片分區(qū)與異質(zhì)集成，主要由成本優(yōu)化和技術(shù)優(yōu)化需求驅(qū)動(dòng)，如圖4a所示；②芯片切分與異質(zhì)集成，主要由成本控制和良率提升需求驅(qū)動(dòng)，如圖4b所示；③在積層封裝基板上直接制造薄膜層，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)和異質(zhì)集成（即2.1D IC集成），如圖5所示；④在無(wú)TSV轉(zhuǎn)接板上實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)和異質(zhì)集成（即2.3D IC集成），如圖6所示；⑤在TSV轉(zhuǎn)接板上實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)和異質(zhì)集成（即2.5D和3D IC集成），如圖7所示。

在圖4a所示的芯片分區(qū)與異質(zhì)集成方案中，包含邏輯單元和I/O接口的SoC芯片，會(huì)按照功能模塊劃分為邏輯芯粒和I/O芯粒。這些芯粒可通過(guò)前道芯片-晶圓（CoW）鍵合或晶圓-晶圓（WoW）鍵合工藝完成堆疊集成，之后再采用異質(zhì)集成技術(shù)，將其組裝在單個(gè)封裝體的同一基板上，具體如圖8所示。需要強(qiáng)調(diào)的是，前道工藝芯粒集成能夠?qū)崿F(xiàn)更小的封裝面積和更優(yōu)的電氣性能，但這并非該方案的必需步驟。

在圖4b所示的芯片切分與異質(zhì)集成方案中，邏輯芯片等SoC會(huì)被切分為多個(gè)更小的芯粒，例如邏輯1、邏輯2和邏輯3，隨后通過(guò)前道CoW或WoW工藝完成堆疊集成，再利用異質(zhì)集成封裝技術(shù)，將邏輯芯粒和I/O芯粒組裝在單個(gè)封裝體的同一基板上。同樣，芯粒的前道集成工藝并非該方案的必需環(huán)節(jié)。

在圖5所示的積層封裝基板上直接制造薄膜層并實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)和異質(zhì)集成方案中，一塊帶有薄膜層的積層封裝基板會(huì)同時(shí)承載CPU、邏輯芯片和HBM等SoC組件。該技術(shù)主要由高性能、小尺寸的應(yīng)用需求驅(qū)動(dòng)，適用于高密度、高性能的應(yīng)用場(chǎng)景。

在圖6所示的無(wú)TSV轉(zhuǎn)接板上實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)和異質(zhì)集成方案中，一塊精細(xì)金屬L/S RDL基板（有機(jī)轉(zhuǎn)接板）會(huì)同時(shí)承載CPU、邏輯芯片和HBM等SoC組件，轉(zhuǎn)接板則安裝在積層封裝基板上。該技術(shù)同樣由高性能、小尺寸的應(yīng)用需求驅(qū)動(dòng)，面向高密度、高性能的應(yīng)用場(chǎng)景。

在圖7所示的TSV轉(zhuǎn)接板上實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)和異質(zhì)集成方案中，一塊無(wú)源（2.5D）或有源（3D）TSV轉(zhuǎn)接板會(huì)同時(shí)承載CPU、邏輯芯片和HBM等SoC組件，轉(zhuǎn)接板安裝在積層封裝基板上。該技術(shù)由高性能、小尺寸的應(yīng)用需求驅(qū)動(dòng)，主要面向超高密度、超高性能的應(yīng)用場(chǎng)景。

芯粒設(shè)計(jì)與異質(zhì)集成封裝的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

與傳統(tǒng)SoC相比，芯粒設(shè)計(jì)與異質(zhì)集成的核心優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在制造過(guò)程中良率的顯著提升。無(wú)論是采用芯片分區(qū)還是芯片切分的方式，得到的芯粒尺寸都遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)SoC，因此能夠有效提高半導(dǎo)體制造的良率，進(jìn)而降低制造成本。圖3展示了單片設(shè)計(jì)與2顆、3顆、4顆芯粒設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的每片晶圓良率（良好芯片百分比）與芯片尺寸的關(guān)系，數(shù)據(jù)顯示，360mm2的單片芯片良率僅為15%，而4顆芯粒設(shè)計(jì)（單顆芯粒99mm2）的良率可提升一倍以上，達(dá)到37%。雖然4顆芯粒設(shè)計(jì)會(huì)帶來(lái)約10%的面積損失（396mm2的總芯片面積中，用于各芯?；ミB的硅面積為36mm2），但良率的大幅提升能夠直接轉(zhuǎn)化為制造成本的降低。與此同時(shí)，芯片分區(qū)的設(shè)計(jì)方式還能有效縮短產(chǎn)品的上市周期，在CPU核的設(shè)計(jì)中，采用芯粒方法已被實(shí)踐證明可以有效降低設(shè)計(jì)和制造成本。此外，由于芯粒分散布局在整個(gè)封裝體內(nèi)，還能對(duì)芯片的熱性能起到一定的優(yōu)化作用。

芯粒設(shè)計(jì)與異質(zhì)集成封裝也存在一定的劣勢(shì)，具體表現(xiàn)為：①接口設(shè)計(jì)需要額外的面積開(kāi)銷(xiāo)，可能導(dǎo)致封裝尺寸增大；②封裝環(huán)節(jié)的成本相對(duì)更高；③整體設(shè)計(jì)復(fù)雜度提升，需要投入更多的設(shè)計(jì)工作量；④傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法學(xué)難以完全適配芯粒設(shè)計(jì)的需求。