3.5D封裝：2.5D和完全3D集成之間找到的平衡點

逍遙設計自動化

引言
半導體行業(yè)不斷發(fā)展，不斷推動芯片設計和制造的邊界。隨著逐漸接近傳統(tǒng)平面縮放的極限，先進封裝技術正成為持續(xù)提升性能的關鍵推動力。在這些技術中，3.5D封裝作為當前2.5D解決方案和完全3D集成之間的折中方案，正在獲得廣泛關注。本文將探討3.5D封裝的概念、優(yōu)勢、挑戰(zhàn)以及對半導體設計未來的潛在影響[1]。

什么是3.5D封裝？
5 }8 }. [- n5 a4 n  w3.5D封裝是一種結合了2.5D和3D集成技術元素的混合方法。在3.5D配置中，邏輯chiplet垂直堆疊，然后與其他組件一起鍵合到共享基板上。這種方法在廣泛采用的2.5D技術和更復雜的完全3D-IC之間提供了一個中間地帶，而業(yè)界已經(jīng)努力將后者商業(yè)化近十年。

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+ A# p+ I+ m& Y3 B- w: ^# X圖1：三星的異構集成路線圖，展示了封裝技術的演變。（來源：三星代工廠）
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3.5D封裝的主要優(yōu)勢

熱管理：通過在組件之間創(chuàng)建物理分隔，3.5D封裝有效解決了困擾更密集3D配置的熱耗散和噪聲問題。

增加SRAM集成：由于SRAM縮放落后于數(shù)字晶體管縮放，3.5D允許通過垂直堆疊chiplet將更多SRAM添加到高速設計中。這對于維持處理器緩存性能非常重要。

改善信號傳輸：減薄處理元件和內(nèi)存之間的接口縮短了信號需要傳輸?shù)木嚯x，與平面實現(xiàn)相比顯著提高了處理速度。

靈活性和可擴展性：3.5D組件提供了更大的靈活性來添加額外的處理器核心，并通過允許已知良好的裸片單獨制造和測試來實現(xiàn)更高的良率。

異構集成：這種方法使用不同制程節(jié)點制造的芯片可以組合在一起，優(yōu)化性能和成本。
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圖2：英特爾的3.5D封裝模型，展示了使用硅橋進行芯片間互連的方式。（來源：英特爾）
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實施策略
( T$ l- P7 ]6 X( F最常見的3.5D配置涉及將處理器堆疊在SRAM上。這種安排簡化了冷卻，因為高利用率處理元件產(chǎn)生的熱量可以通過散熱器或液體冷卻來移除。減薄的基板允許信號傳輸更短的距離，減少了處理器和內(nèi)存之間數(shù)據(jù)移動的功耗。

有趣的是，SRAM不一定需要與先進處理器處于相同的制程節(jié)點。這種靈活性有助于提高良率和可靠性。例如，三星提出了一個路線圖，顯示在不久的將來，2nm chiplet堆疊在4nm chiplet上，并計劃到2027年實現(xiàn)1.4nm chiplet堆疊在2nm chiplet上。
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英特爾的3.5D技術方法涉及在帶有硅橋的基板上實現(xiàn)。這種方法以成本效益高的方式使用薄硅片來實現(xiàn)芯片間互連，包括堆疊芯片間互連。這種方法提供了硅密度和信號完整性性能的優(yōu)勢，而無需使用大型、昂貴的單片互連層。
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- [. j; S1 p( Q9 y圖3：當前互連層技術支持高I/O數(shù)量和精細間距。（來源：日月光集團）

( k2 v4 L5 l$ B* P. R9 b挑戰(zhàn)和持續(xù)發(fā)展
( j9 k( ^# Y" Z# v3.5D封裝提供了眾多優(yōu)勢，但也面臨著挑戰(zhàn)。一些關鍵的持續(xù)發(fā)展領域包括：

熱管理：盡管相比完全3D設計有所改善，但在3.5D組件中管理熱量仍然是一個重大挑戰(zhàn)。業(yè)界正在探索各種冷卻解決方案，包括浸沒式冷卻、局部液體冷卻和蒸汽室。

互連技術：隨著我們推動更高的密度，業(yè)界正在向更精細的凸點間距解決方案和混合鍵合技術發(fā)展。目標是實現(xiàn)25到20微米的凸點間距，混合鍵合可能實現(xiàn)小于10微米的間距。

共面性：在數(shù)千個微凸點上實現(xiàn)所需的平整度水平對傳統(tǒng)鍵合方法是一個重大挑戰(zhàn)。這正推動人們對混合鍵合等替代方法產(chǎn)生興趣。

時序收斂：隨著在3.5D配置中添加更多元素，確保信號在正確的時間到達正確的位置變得越來越復雜。這需要復雜的熱感知和IR感知時序分析。

數(shù)據(jù)管理：設計和分析這些復雜系統(tǒng)所涉及的數(shù)據(jù)量正在爆炸性增長。有效處理這些數(shù)據(jù)并減少模擬和分析運行時間是一個主要關注領域。

組裝復雜性：物理組裝這些器件涉及管理具有不同厚度和熱膨脹系數(shù)的各種裸片的熱、電和機械連接。這需要進行密集的熱機械認證工作。
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圖4：先進封裝路線圖，說明互連技術的演變。（來源：安靠科技）
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商業(yè)化的道路
3.5D封裝的最終目標是實現(xiàn)芯片設計的"即插即用"方法，設計者可以從菜單中選擇chiplet，并迅速將連接到經(jīng)過驗證的架構中。雖然這一愿景可能需要數(shù)年時間才能完全實現(xiàn)，但可能在未來幾年內(nèi)看到商用chiplet出現(xiàn)在先進設計中，從高帶寬內(nèi)存與定制處理器堆疊開始。

實現(xiàn)這一愿景需要在幾個關鍵領域取得進展：

EDA工具：電子設計自動化（EDA）工具需要發(fā)展以處理3.5D設計的復雜性。這包括同時考慮熱、信號完整性和功率完整性問題，以及改善IC設計師和封裝專家之間的協(xié)作。

工藝/組裝設計套件：3.5D工藝和組裝的標準化設計套件非常重要。這些可能會在代工廠和外包半導體組裝和測試（OSAT）提供商之間分配。

標準化：為可以預先構建和預先測試的內(nèi)容設置現(xiàn)實的參數(shù)將是提高組裝速度和便利性的關鍵。像UCIe（通用chiplet互連快車）這樣的行業(yè)標準就是朝這個方向邁出的步伐。

工藝一致性：確保3.5D組裝各個步驟的工藝一致性非常重要。這需要為每個工藝步驟定義可接受的輸出，并開發(fā)實時優(yōu)化配方的方法，以保持結果在所需范圍內(nèi)。
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% _0 O  e' ?0 L結論
  S5 K1 i. b/ s. _9 z3 I6 c3.5D封裝代表了半導體集成的重要進步，在3D-IC的性能優(yōu)勢和當前2.5D解決方案的實用性之間提供了平衡。隨著業(yè)界趨向于這種方法，可以期待在設計工具、制造工藝和標準化努力方面的快速發(fā)展。
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4 ^! V$ ^! M5 C/ U: N( U) M- @! i1 l在熱管理和互連技術等領域仍然存在挑戰(zhàn)，但3.5D封裝的潛在優(yōu)勢正在推動大量投資和創(chuàng)新。隨著這些技術的成熟，有望在從高性能計算到人工智能等廣泛應用中實現(xiàn)新的性能和功能水平。
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實現(xiàn)完全的3.5D封裝及其他更高集成的旅程將需要整個半導體生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)合作。從EDA供應商到代工廠、OSAT和系統(tǒng)集成商，每個參與者在將這項技術推向市場方面都發(fā)揮著重要作用。隨著我們向前發(fā)展，3.5D封裝可能成為連接當前技術與未來完全3D-IC的橋梁，開啟半導體創(chuàng)新的新時代。
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[1] E. Sperling, "3.5D: The Great Compromise," Semiconductor Engineering, Aug. 21, 2024.
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