2.5D封裝

2.5D封裝是傳統2D IC封裝技術的進展，可實現更精細的線路與空間利用。在2.5D封裝中，裸晶堆棧或并排放置在具有硅通孔(TSV)的中介層(interposer)頂部。其底座，即中介層，可提供芯片之間的連接性。

2.5D封裝通常用于高端ASIC、FPGA、GPU和內存立方體。2008年，賽靈思(Xilinx)將其大型FPGA劃分為四個良率更高的較小芯片，并將這些芯片連接到硅中介層。2.5D封裝由此誕生，并最終廣泛用于高帶寬內存(HBM)處理器整合。



圖1、2.5D封裝示意圖。(圖片來源：Research Gate)

3D封裝

在3D IC封裝中，邏輯裸晶堆棧在一起或與儲存裸晶堆棧在一起，無需建構大型的系統單芯片(SoC)。裸晶之間透過主動中介層連接，2.5D IC封裝是利用導電凸塊或TSV將組件堆棧在中介層上，3D IC封裝則將多層硅晶圓與采用TSV的組件連接在一起。

TSV技術是2.5D和3D IC封裝中的關鍵使能技術，半導體產業一直使用HBM技術生產3D IC封裝的DRAM芯片。

圖2 、從3D封裝的截面圖可以看出，透過金屬銅TSV實現了硅芯片之間的垂直互連。(數據源：Research Gate)

Chiplet

芯片庫中有一系列模塊化芯片可以采用裸晶到裸晶互連技術整合到封裝中。Chiplet是3D IC封裝的另一種形式，可以實現CMOS組件與非CMOS組件的異質整合(Heterogeneous integration)。換句話說，它們是較小型的SoC，也叫做chiplet，而不是封裝中的大型SoC。

將大型SoC分解為較小的小芯片，與單顆裸晶相比具有更高的良率和更低的成本。Chiplet使設計人員可以充分利用各種IP，而不用考慮采用何種工藝節點，以及采用何種技術制造。他們可以采用多種材料，包括硅、玻璃和層壓板來制造芯片。

圖3、基于Chiplet的系統是由中介層上的多個Chiplet組成。(圖片來源：Cadence) 扇出(Fan out)

在扇出封裝中，“連結”(connection)被扇出芯片表面，從而提供更多的外部I/O。它使用環氧樹脂成型材料(EMC)完全嵌入裸晶，不需要諸如晶圓凸塊、上助焊劑、倒裝芯片、清潔、底部噴灑充膠和固化等工藝流程，因此也無需中介層，使異質整合變得更加簡單。

扇出技術是比其他封裝類型具有更多I/O的小型封裝。2016年，蘋果(Apple)借助臺積電(TSMC)的封裝技術，將其16納米應用處理器與移動DRAM整合到iPhone 7的一個封裝中，從而將這項技術推向舞臺。

扇出晶圓級封裝(FOWLP)

FOWLP技術是針對晶圓級封裝(WLP)的改進，可以為硅芯片提供更多外部連接。它將芯片嵌入環氧樹脂成型材料中，然后在晶圓表面建構高密度重分布層(RDL)并施加焊錫球，形成重構晶圓(reconstituted wafer)。

它通常先將經過處理的晶圓切成單顆裸晶，然后將裸晶分散放置在載體結構(carrier structure)上，并填充間隙以形成重構晶圓。FOWLP在封裝和應用電路板之間提供了大量連接，而且由于基板比裸晶要大，裸晶的間距實際上更寬松。



圖4、在此FOWLP封裝示例中，硅倒裝芯片嵌入到玻璃基板中，重分布層透過芯片扇出至玻璃通孔。(圖片來源：Samtec)

異質整合

將分開制造的不同組件整合到更高級別的組件中，可以增強功能并改進工作特性，因此半導體組件制造商能夠將采用不同工藝流程的功能組件組合到一個組件中。

異質整合類似于系統級封裝(SiP)，但它并不是將多顆裸晶整合在單個基板上，而是將多個IP以Chiplet的形式整合在單個基板上。異質整合的基本思想是將多個具有不同功能的組件組合在同一個封裝中。



圖5、異質整合中的一些技術建構區塊。(圖片來源：ASE Group)

HBM

HBM是一種標準化的堆棧儲存技術，可為堆棧內部，以及內存與邏輯組件之間的數據提供高帶寬信道。HBM封裝將內存裸晶堆棧起來，并透過TSV將它們連接在一起，從而創建更多的I/O和帶寬。

HBM是一種JEDEC標準，它在封裝內垂直整合了多層DRAM組件，封裝內還有應用處理器、GPU和SoC。HBM主要以2.5D封裝的形式實現，用于高端服務器和網絡芯片。現在發布的HBM2版本解決了初始HBM版本中的容量和時鐘速率限制問題。



圖6、HBM封裝將內存裸晶彼此堆棧，并利用TSV將它們連接起來以創建更多I/O和帶寬。(圖片來源：SK Hynix)

中介層

中介層是封裝中多芯片裸晶或電路板傳遞電信號的管道，是插口或接頭之間的電接口，可以將信號傳播更遠，也可以連接到板子上的其他插口。

中介層可以由硅和有機材料制成，充當多顆裸晶和電路板之間的橋梁。硅中介層是一種經過驗證的技術，具有較高的細間距I/O密度和TSV形成能力，在2.5D和3D IC芯片封裝中扮演著關鍵角色。



圖7、系統分區中介層的典型實現。(數據源：Yole Développement)

重分布層

重分布層包含銅連接線或走線，用于實現封裝各個部分之間的電氣連接。它是金屬或高分子介電材料層，裸晶可以堆棧在封裝中，從而縮小大芯片組的I/O間距。重分布層已成為2.5D和3D封裝解決方案中不可或缺的一部分，使其上的芯片可以利用中介層相互進行通訊。



圖8、使用重分布層的整合封裝。(圖片來源：Fujitsu)

TSV

TSV是2.5D和3D封裝解決方案的關鍵實現技術，是在晶圓中填充銅，提供貫通硅晶圓裸晶的垂直互連。它貫穿整個芯片以提供電氣連接，形成從芯片一側到另一側的最短路徑。

從晶圓的正面將通孔或孔洞蝕刻到一定深度，然后將其絕緣，并沉積導電材料(通常為銅)進行填充。芯片制造完成后，從晶圓的背面將其減薄，以暴露通孔和沉積在晶圓背面的金屬，從而完成TSV互連。



圖9、在TSV封裝中，DRAM芯片接地、穿透并與電極相連。(圖片來源：Samsung Electronics)

審核編輯：劉清