今天小編為大家?guī)?lái)一篇關(guān)于AMD正在使用TSMC的混合鍵合技術(shù)（上）~

第一波芯片正在使用一種稱(chēng)為混合鍵合的技術(shù)沖擊市場(chǎng)，為基于3D的芯片產(chǎn)品和先進(jìn)封裝的新競(jìng)爭(zhēng)時(shí)代奠定了基礎(chǔ)。

AMD是第一家推出使用銅混合鍵合芯片的供應(yīng)商，這是一種先進(jìn)的芯片堆疊技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)下一代類(lèi)似3D的設(shè)備和封裝?；旌湘I合堆疊和連接芯片使用微型銅到銅互連，提供比現(xiàn)有芯片堆疊互連方案更高的密度和帶寬。

AMD正在使用TSMC的混合鍵合技術(shù)，TSMC也更新了其在該領(lǐng)域的路線圖。英特爾(Intel)、三星(Samsung)和其他公司也在開(kāi)發(fā)混合鍵合技術(shù)。除了AMD，其他芯片客戶(hù)也在關(guān)注這項(xiàng)技術(shù)。

Need h am分析師Charles Shi表示:“臺(tái)積電表示，其所有高性能計(jì)算客戶(hù)都可能采用其技術(shù)?！薄霸谝苿?dòng)應(yīng)用中，混合鍵合也在每個(gè)人的路線圖上，或者至少在每個(gè)人的雷達(dá)上?！?

在半導(dǎo)體晶圓廠進(jìn)行的一種相對(duì)較新的工藝，銅混合鍵合是一種先進(jìn)的芯片堆疊技術(shù)，有望為芯片客戶(hù)提供一些競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)?？梢钥隙ǖ氖?，芯片堆疊并不是什么新技術(shù)，多年來(lái)一直在設(shè)計(jì)中使用。新的是混合鍵合可以實(shí)現(xiàn)近單片3D設(shè)計(jì)。

其實(shí)大多數(shù)芯片不需要混合鍵合。對(duì)于封裝而言，混合鍵合主要用于高端設(shè)計(jì)，因?yàn)樗且豁?xiàng)涉及多項(xiàng)制造挑戰(zhàn)的昂貴技術(shù)。但它為芯片制造商提供了一些新的選擇，為下一代3D設(shè)計(jì)、存儲(chǔ)立方體或3D DRAM以及更先進(jìn)的封裝鋪平了道路。

有幾種方法可以開(kāi)發(fā)這些類(lèi)型的產(chǎn)品，包括Chiplet模型。對(duì)于芯粒，芯片制造商可能在庫(kù)中有一個(gè)模塊化芯片菜單。然后，客戶(hù)可以混合和匹配這些芯片，并將它們集成到現(xiàn)有的封裝類(lèi)型或新架構(gòu)中。在這種方法的一個(gè)例子中，AMD堆疊了兩個(gè)內(nèi)部開(kāi)發(fā)的芯?！粋€(gè)處理器和一個(gè)SRAM 芯片，形成了一個(gè) 3D封裝，在頂部結(jié)合了一個(gè)高性能 MPU 和高速緩存，并使用混合鍵合連接各個(gè)die。

還有其他實(shí)現(xiàn)chiplet的方法。傳統(tǒng)上，為了改進(jìn)設(shè)計(jì)，供應(yīng)商會(huì)開(kāi)發(fā)一個(gè)片上系統(tǒng)(SoC)，并在每一代設(shè)備上集成更多的功能。這種芯片縮放方法變得越來(lái)越困難和昂貴。雖然它仍是新設(shè)計(jì)的一種選擇，但Chiplet正逐漸成為開(kāi)發(fā)復(fù)雜芯片的一種選擇。

使用芯粒，大型SoC被分解成更小的dies或IP塊，并重新聚合成一個(gè)全新的設(shè)計(jì)。從理論上講，芯粒方法以更低的成本加快了上市時(shí)間?；旌湘I合是實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的眾多要素之一。

圖 1：AMD的3D V-Cache技術(shù)將緩存堆疊在處理器上。

封裝格局

Chiplets本身并不是一種封裝類(lèi)型。它們是包含異質(zhì)集成的方法的一部分，在這種方法中，復(fù)雜的dies被組裝在一個(gè)先進(jìn)的封裝中。

IC封裝本身就是一個(gè)復(fù)雜的市場(chǎng)。據(jù)z新統(tǒng)計(jì)，半導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了大約 1,000 種封裝類(lèi)型。細(xì)分封裝市場(chǎng)的一種方法是按互連類(lèi)型，包括引線鍵合、倒裝芯片、晶圓級(jí)封裝 (WLP) 和硅通孔 (TSV)?；ミB用于將封裝中的一個(gè)芯片連接到另一個(gè)芯片。

雖然存在提高封裝密度的推動(dòng)力，但其中許多設(shè)備仍基于舊技術(shù)，例如引線鍵合和倒裝芯片。在倒裝芯片中，基于焊料材料的微小銅凸點(diǎn)在芯片頂部形成。然后將該設(shè)備倒裝并安裝在單獨(dú)的模具或板上，這樣凸起就會(huì)落在銅墊上，形成電氣連接。在倒裝芯片中，芯片上的凸點(diǎn)間距范圍為300μm ~ 50μm。凸距指的是裸片上相鄰?fù)裹c(diǎn)之間的給定空間。

“不過(guò)目前140μm到150μm的粗間距封裝仍然是主流，而且短期內(nèi)不會(huì)改變，” QP Te chnologies母公司Promex首/席技術(shù)官Annette Teng說(shuō)。

與此同時(shí)，WLP 工藝用于制造扇出封裝，這z初是一種相對(duì)粗糙的技術(shù)。OSAT現(xiàn)在正致力于通過(guò)縮小線和空間并在其頂部添加支柱和其他3D結(jié)構(gòu)來(lái)增加扇出的密度。

“（扇出）代表了智能手機(jī)和其他移動(dòng)應(yīng)用的一種重要的大容量小型化封裝類(lèi)型，” ASE研究員 William Chen 說(shuō)。“我們還有一個(gè)充滿(mǎn)活力的創(chuàng)新領(lǐng)域，服務(wù)于高性能計(jì)算、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域?！?

同時(shí)，2.5D 越來(lái)越成為數(shù)據(jù)中心等高性能應(yīng)用的主流，而真正的3D封裝才剛剛起步。對(duì)于 2.5D，裸片堆疊或并排放置在包含TSV的中介層之上。TSV 提供從裸片到電路板的電氣連接。

圖 2：2.5D 封裝、高密度扇出 (HDFO)、橋接封裝和Chiplet示例

2.5D 解決了幾個(gè)問(wèn)題。在許多系統(tǒng)中，處理器、DRAM和其他設(shè)備都放在板上。數(shù)據(jù)在處理器和DRAM之間移動(dòng)，但有時(shí)這種交換會(huì)導(dǎo)致延遲和功耗增加。作為回應(yīng)，許多高端系統(tǒng)將2.5D封裝與 ASIC 和 HBM 結(jié)合在一起。這允許將內(nèi)存移動(dòng)到更靠近處理功能的位置，從而實(shí)現(xiàn)更快的吞吐量。

這些封裝選項(xiàng)中的許多都可以支持Chiplet，裸片可以根據(jù)芯片制造商的需求進(jìn)行組合。Brewer Science 高級(jí)項(xiàng)目經(jīng)理 Xiao Liu 表示：“可以通過(guò)使用具有z佳性能/成本工藝節(jié)點(diǎn)的z佳處理器組件來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)?！?

Chiplet代表了范式轉(zhuǎn)變?！斑@種范式轉(zhuǎn)變使封裝級(jí)的晶體管密度高于芯片級(jí)，同時(shí)還允許混合器件，每個(gè)器件都在相對(duì)于其獨(dú)特功能的z佳節(jié)點(diǎn)上單獨(dú)制造，異質(zhì)地集成到一個(gè)通用封裝中，以提高性能并減少尺寸、重量和功率。未來(lái)將是系統(tǒng)級(jí)集成和優(yōu)化，”i3 Microsystems 副總裁兼總經(jīng)理 Brian Sapp 說(shuō)。

使用芯粒方法，供應(yīng)商開(kāi)發(fā)了類(lèi)似 3D 的架構(gòu)。例如，英特爾推出的 3D CPU 平臺(tái)。在一個(gè)封裝中結(jié)合了一個(gè)10nm處理器內(nèi)核和四個(gè)22nm處理器內(nèi)核。

在人工智能和其他應(yīng)用的推動(dòng)下，所有高端產(chǎn)品都在增長(zhǎng)?！癆I涉及高性能計(jì)算 (HPC)。我們看到對(duì)與AI或HPC應(yīng)用相關(guān)的倒裝芯片BGA的大量需求。這還包括2.5D、3D 或高密度扇出，” JCET的首/席技術(shù)官 Choon Lee 說(shuō)。

這些封裝中的每一個(gè)都使用一種或多種不同的制造工藝。大多數(shù)高級(jí)封裝的共同點(diǎn)是互連技術(shù)。在這種情況下，它決定了您如何堆疊和接合封裝中的die。

英特爾的3D CPU、HBM 和其他芯片使用微小的銅微凸塊作為封裝中的互連方案，以及倒裝芯片工藝。使用HBM，在 DRAM 芯片的每一側(cè)形成微小的銅凸點(diǎn)。然后將這些芯片上的凸點(diǎn)粘合在一起，有時(shí)使用熱壓粘合 (TCB)。在操作中，TCB系統(tǒng)獲取die、對(duì)齊它們，并使用力和熱鍵合芯片。

如今，z先進(jìn)的微凸塊采用40μm間距，相當(dāng)于20μm至 25μm 的凸塊尺寸，芯片上相鄰?fù)箟K之間的間距為 15μm。在研發(fā)方面，供應(yīng)商正在研究凸點(diǎn)間距超過(guò) 40μm 的設(shè)備。在這里，客戶(hù)有一些選擇。首先，他們可以使用現(xiàn)有的微凸塊開(kāi)發(fā)芯片?；旧希诤噶系奈⑼箟K從今天的 40μm 間距延伸到 10μm，這些方案在這些地方已經(jīng)失去了動(dòng)力。

“在微小的焊料凸塊上管理小塊焊料帽有其自身的可用焊料質(zhì)量分布。在某些時(shí)候，這些將不可靠，” Amkor高級(jí)封裝開(kāi)發(fā)和集成副總裁 Mike Kelly 說(shuō)。“在 20μm 和 10μm 之間的某個(gè)地方，客戶(hù)將跳轉(zhuǎn)到混合方法。它有很多優(yōu)點(diǎn)，裸片之間的功率很低，電信號(hào)路徑非常好。”

在混合鍵合中，裸片使用微小的銅對(duì)銅互連而不是凸塊連接。對(duì)于封裝，混合鍵合的起點(diǎn)是 10μm 間距及以上。

微凸塊和混合鍵合都是可行的選擇。客戶(hù)可以根據(jù)應(yīng)用程序使用一種或另一種包裝。