2.5D封装的下一步

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中介层和桥接器是先进封装中连接多个芯片和芯片组的两个关键元件，它们的构造和组装方式正在发生根本性的变化。

中介层正变得越来越厚、越来越复杂，而桥接技术则被用来降低组装成本。这两种努力都面临着新的挑战。

中介层实际上是一个平台，可以在其上组装多个组件，类似于微型PCB。目前主要材料是硅，即使采用较早的工艺节点制造，其尺寸也使其价格昂贵。它们通常用于处理高密度互连，同时将I/O、电源和接地信号传递到下方的封装基板。

同时，硅桥接技术可在嵌入有机中介层或基板中的芯片或芯片组之间实现高密度互连。硅是目前互连密度最高的材料，因此，硅桥接技术的设计理念在于使其体积小、成本低，这与硅中介层形成鲜明对比。然而，组装良率问题延缓了硅桥接技术最终所承诺的成本优势的实现。

图1 ：中介层与桥接层。中介层是大型硅平台，而桥接层是嵌入有机中介层或衬底中的小型硅片

中介层越来越多

人工智能正在推动中介层的复杂性。“我们现在看到更厚的中介层，金属层也更多，以适应人工智能和高性能计算芯片所需的高密度布线和高电流路径，” YieldWerx首席执行官 Aftkhar Aslam 表示。

目前典型的中介层最多有四层。少数中介层甚至多达十层，随着新一代HBM内存和更宽接口的出现，这种更厚的中介层将变得越来越普遍。

“在 HBM4 之后，我们需要八到九层金属层，”联电先进封装总监 Pax Wang 说。

然而，这些额外的层数会增加成本。日月光集团高级总监曹立宏表示：“为了缩短互连路径并提高信号完整性，中介层厚度不断减小。但是，中介层厚度与机械强度和翘曲度之间需要取得平衡。”

联电的王先生对此表示赞同。“如果我们想通过增加介电层来增加中介层的厚度，就会引发一些集成问题，”他说道。“例如，无论使用有机材料还是氧化物基材料，都可能导致翘曲。”

增加层数带来的挑战在于保持平整度。层数更多、更厚的中间层容易发生弯曲。但这并非不可克服的障碍。

“只要采用合适的薄膜应力控制技术，就能控制平整度，”Skywater Technology佛罗里达工厂高级副总裁兼总经理Bassel Haddad表示。“但随着RDL层数的增加，难度也会随之增加。”

有源中介层正在兴起

目前使用的中介层绝大多数是无源的。它们的作用仅限于提供互连，其主要特征是金属线。然而，硅中介层由半导体材料制成，其半导体特性可以应用于晶体管。

日月光的曹先生表示：“有源中介层正得到越来越广泛的应用，尤其是在集成电源管理、I/O 和光器件的 AI/HPC 应用中。但由于成本、良率和散热管理方面的关键挑战，目前它主要局限于高端和定制解决方案。”

这样一来，中介层就既是芯片又是互连平台。接下来必须在两种方案之间做出选择：一是选择能够支持所需晶体管性能的中介层工艺节点，二是直接在已选定的中介层节点上构建电路。考虑到在领先节点上制造大型硅中介层的极高成本，后者通常会占据主导地位。

事实证明，英特尔可能已经在这么做了。“他们有[Foveros]的版本，你一看会觉得它是一个中介层，但实际上它是一个有源芯片，” Amkor Technology负责芯片组/FCBGA集成的副总裁Mike Kelly说。“然后你再在上面放置另一个功能芯片。”

电源管理电路经常被提及，被认为是可作为中介层的候选电路，它涉及性能一般的模拟和数字晶体管。信号调理电路和SRAM（尤其是作为缓存）也是研究人员关注的重点。

但有源硅中介层比无源硅中介层贵得多。如今，良率不仅仅意味着拥有合格的金属线，晶体管的性能也必须出色。“有源中介层引入了功能测试要求、电气隔离风险和芯片级修复策略，将以前机械或寄生效应导致的良率问题扩展到了电气方面，”yieldWerx公司的Aslam说道。

有源中介层需要更多测试

目前主流的中介层生产流程不足以生产高质量、高可靠性的有源中介层。如今，除了简单的开路/短路测试外，还需要进行功能测试，而且这些测试可能涉及模拟电路和数字电路。

电路之间可能也需要电气隔离——这对于无源中介层来说并不适用。这使得目前主要集中于氧化物和金属沉积及图案化的工艺变得复杂。深沟槽电容器也越来越多地被应用，但它们是无源元件，有助于保持信号的纯净度。沟槽也可能是防止电路相互干扰的必要措施。

由于此类中介层成本高昂，其良率至关重要，而对于尺寸最大的中介层来说，这本身就是一个挑战。增加电路会增加测试过程中出现故障的风险。芯片级修复方案有助于避免原本可能失效的中介层被报废。

阿斯拉姆指出：“对于外包组装和测试公司（OSAT）以及测试机构而言，检测策略也在不断发展。如今，除了X射线和红外成像之外，电气连续性和信号完整性监测也发挥着重要作用。”

实现有源中介层的一个步骤是将其他芯片嵌入基板或中介层中，而不是将其安装在其上方。“利用桥接芯片技术，设计人员可以将电源管理集成电路（PMIC）、电容器和电感器集成到基板或中介层中，从而提高其能效，”王教授说道。

尽管成本较高，但有源中介层仍有潜在的优势。“智能中介层的概念可能不会消失，但它的价格确实很高，”凯利说。“不过，一旦将晶体管连接到中介层上，这片中介层晶圆的价值就会大大提升。”

光子学可以使用中介层

光子中介层虽然不太常见，但也很常见，例如 Lightmatter 公司的 Passage，它本质上是一个可以安装电子芯片和芯片组的平台。该中介层可以执行电光转换和光电转换，因此是一种有源中介层。

Lightmatter公司产品副总裁史蒂夫·克林格表示：“其中可能包含模拟电路。所有用于稳定各种光子元件的控制电路都集成在Passage内部的CMOS芯片中。你可以把它想象成一个有源光中介层。”

除了转换组件外，所有光子控制电路都集成在中介层中，进一步巩固了其有源特性。该公司设想未来其他模拟电路也能集成到该中介层中。

由于光的一个关键特性，光中介层所需的层数可以比电中介层少。“光子学的有趣之处在于，波导可以相互交叉，而且这没有问题，”克林格说。

这样可以大大简化布线，消除原本可能为了方便信号交叉而需要的层级。

这些中介层可能相当大。Lightmatter公司正在研发尺寸为瞄准镜十字线8倍的中介层。这需要进行十字线拼接，该公司声称已就此技术获得专利。

避免硅的高昂成本

2.5D封装领域的许多活动都围绕着降低中介层成本展开。一种方法是寻找比硅更便宜的材料。有机中介层在材料和制造成本方面都更低，因为它是在面板上而非晶圆上制造的。硅需要背面研磨来暴露硅通孔（TSV），而有机中介层则无需这些工艺步骤。

封装基板等有机元件的金属线间距通常为 10µm，但这不足以满足中介层互连的密度要求。要实现 5µm 的线间距，则需要洁净室。代工厂当然拥有这样的洁净室，但如果 OSAT 厂商想要自行生产这些中介层，洁净室则意味着一笔不小的投资。

味之素增材制造膜（ABF）使得高性能有机中介层成为可能，其支持的速度比基板和印刷电路板（PCB）中常用的传统材料更高。虽然它比传统材料贵得多，但从材料成本的角度来看，它仍然比硅便宜。

在集成三维堆叠结构（例如 HBM）时，由于焊盘间距越来越小，使用有机材料降低成本变得更加困难。目前正在努力开发相关技术，但这仍处于研究阶段。

Skywater公司的Haddad表示：“我认为硅中介层和有机中介层最终会共存，但它们会逐渐向有机中介层靠拢。只有在需要特定功能时，你才会看到硅中介层。”

玻璃也可以用成本更低的面板制成，因此也在考虑之列。不过，距离真正投入生产还有数年时间。“玻璃中介层距离量产可能还有好几年的时间，”王先生提醒道。

玻璃不能用作电活性中介层，但可以承载光子元件。“其优势在于信号损耗更小，尤其对于光信号而言，而且易于实现光的穿透、切换、变换和传输，”王教授说道。

目前玻璃行业尚未做好迎接玻璃的准备。“玻璃需要一个庞大的生态系统来建立所有设备和标准化体系，”哈达德说。“我们预计这些将在2027/2028年左右出现。”

桥接技术尚未完全降低成本

最有希望降低成本的途径之一是使用硅桥接器代替硅中介层。每个桥接器的尺寸都小得多，从而可以提高良率。一个桥接器（或多个桥接器）的成本将远低于一个硅中介层的成本。

曹表示：“与全中介层相比，嵌入式硅桥能够以更低的成本提供高密度互连和更短的延迟。”

其思路是将桥接结构嵌入有机材料中——通常是封装基板，但也可能是有机中介层。首先在有机材料中形成一个空腔。然后插入桥接结构，并调整其位置，使封装上的焊盘与桥接结构良好接触。

鉴于封装基板始终存在，有些人可能会认为中介层并非必要。“目前正在讨论诸如‘为什么不放弃中介层，直接使用ABF基板，或者将其与DTC（深沟槽电容器）结合使用，并将芯片桥接到基板上呢？’”王说道。

而这正是当今最大的挑战——对准。事实证明，对准难度极大，良率也很低。这使得桥接芯片的净成本可能超过硅中介层。问题不在于桥接芯片本身，而在于低良率。

对齐并非仅对桥接芯片上方的芯片才需要。在桥接线笔直的情况下，芯片组之间也必须对齐。但在这种情况下，偏移很常见，这意味着由于芯片偏移，桥接芯片上从一个芯片到另一个芯片的直线图案可能会错过两端的一个或两个焊盘。

Multibeam公司表示可以修复此类偏移。“在架设这些桥接结构时，会出现一些偏移，这也是部分屈服强度问题的原因所在，”Multibeam公司技术副总裁Ted Prescop说道。“我们可以利用这些偏移进行图案化处理。”

这项技术可以制造纳米级（最小可达30纳米）的线/间距，而传统光刻技术只能制造微米级的线/间距。但其挑战在于，每个芯片都必须单独进行图案化，这会影响生产效率。

图 2 ：采用直接写入电子束校正芯片放置偏差

虽然这看起来工作量很大，但总比直接报废要好。“另一种方法是把特征做得非常大，这样即使存在机械偏移，也能有足够大的着陆平台来弥补，”普雷斯科普指出，“但这样一来，你就失去了小特征带来的很多优势。”如果能解决良率问题（而良率问题造成的损失更大），那么增加的缝合成本或许是值得的。

硅材料目前仍是首选

就目前而言，硅中介层仍然是2.5D集成领域的主要材料，该领域目前由少数几家大型企业主导。有机中介层正在崛起，随着时间的推移，可能会从硅中介层手中抢走一部分市场份额，但不会全部被取代。与此同时，玻璃中介层尚未实现量产。

至于桥接器件，它们的潜力尚未得到充分发挥。良率是亟待解决的关键问题。如果能解决这个问题，将有助于降低2.5D集成成本。如果可能，将它们嵌入基板而非中介层中，也应该能够节省成本。

https://semiengineering.com/whats-next-for-2-5d-packaging/

（来源：编译自semiengineering）

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