封装技术新突破 芯片封装更简单
#111723#进步封装的远景是实现异构芯片集成，然而要实现这一目的另有很长的路要走。封装正成为半导体工业链中最要害的一环，但却难以实现技巧和本钱的分身其美。
封装的最初功效仅仅是为了维护外部芯片不受情况要素影响，也唯一封装能做到这一点。然而在进步封装节点，跟着应用差别工艺制程构建的异构集成元件，封装正施展着更普遍也更具策略性的感化。现在很多新型封装技巧以利用为导向，也是体系架构中弗成或缺的构成部份。它们可能辅助传导热量、进步机能、下降功耗，乃至能够维护信号完全性。
据麦姆斯征询先容，进步封装技巧，区分于传统塑料或陶瓷封装，是为了进步进步节点芯片的牢靠性而开辟。少数情形下，它也是战胜诸如热、静电等物理效应受限的替换方式。对于多芯片封装来讲特别如斯，此中尤以三维（3D）封装最为典范，它容许处置器应用高速衔接来拜访位于它们上方或正面的存储器。这类方式可能比通过7nm的细导线从大尺寸芯片的一端向另一端发送信号要快很多，但这类情形下，将会呈现电阻过大从而引发热量增添而凑集的成绩。另外，该技巧还容许芯片架构师将存储器封装疏散于全部封装进程中，以防止资本争用，而资本争用则会为会合式存储器的计划带来布线成绩。
然而，与SoC（System on Chip，片上体系）庞杂的开辟流程一样，封装技巧也开端变得越来越庞杂。固然在从前几年里，进步封装技巧在效劳器芯片市场和挪动电话范畴始终一直开展，但现在看来还没有充足的个性能盘踞主流市场。此中包含以下几个重要缘由：
（1）大少数采取进步封装技巧的公司都在实验冲破机能限度，但跟着摩尔定律演进，功耗/机能上风降落，在此进程中他们碰到了良多艰苦。对这些公司而言，本钱不是成绩，机能和尺寸才是。
（2）几近初期的全部封装都是定制化计划的，应用非尺度的封装方法。这须要芯片制作商、代工场和/或封测厂商之间的亲密配合。固然该方式被证实是无效的，特殊是对于挪动电话和收集芯片等利用范畴，但这些封装技巧是应用十分特别的元件为特定利用而开辟的。
（3）大少数主流芯片制作商，也就是指那些不处于前沿节点的制作商们，在已有的节点制程上的功耗/机能晋升空间仍非常充分，而绝大少数芯片都是在这些节点上开辟的。这得益于代工场始终踊跃地为这些节点增添选项，现在它们的本钱仍远低于10/7nm乃至16/14nm节点工艺。然而跟着更多尺度化封装的呈现，这类情形将会产生转变，由于芯片公司可能混杂和婚配差别的元件。
对于哪项工艺在哪个范畴可能无效开展的共鸣开端显现。在从前的几年里，跟着封装厂和代工场应用差别的方式将芯片组装在一同，封装技巧几近始终处于一直变更的状况。即便在雷同范例的封装方式中，比方扇出型封装，也有芯片先装和芯片后装等差别的方式。同时，也能够在扇出时增加铜柱，就如在准三维集成电路（quasi-3D-IC）设置中，在逻辑器件上增加内存客栈。
在2.5D封装中，硅内插器（silicon interposer）和无机内插器（organic interposer）应用从新布线层（redistribution layer，RDL）中的互连桥或许英特尔的嵌入式多芯片互连桥接（Embedded Multi-Die Interconnect Bridge，EMIB），通过各种元器件到达异构芯片之间的超疾速封装内互连。详见《英特尔嵌入式多芯片互连桥接（EMIB）》。
“封装技巧当初是体系运转的重要部份。”ANSYS首席技巧专家Joao Geada说道，“咱们当初曾经迫近经济本钱上的极限，摩尔定律已趋近生效。当须要树立大型体系时，不是把全部的资本都投入到某个单一工艺，当初的成绩是抉择哪一个工艺最经济实惠是咱们须要斟酌的。平日，在古代体系计划中，对于该成绩有多个谜底。比方你能够通过将事物定位到恰当的进程从而停止优化，但这也象征着你依然盼望坚持与之前雷同的近似脚印。全部这些都必需集成到独自的封装中。这就是为何会有层出不穷的新挑衅，由于很多这类假定是能够在不斟酌情况要素的情形下，独自猜测计划的行动而树立起来的，很有可能没法实现。”
现实上，分而治之的计划方式可能将统一芯片上的模块转移到封装中的芯片。固然封装能够减一些物理效应，比方大尺寸芯片的片内差别，但同时也带来了一系列挑衅。
封装技巧层出不穷，哪一种最合适？
市场的强盛需要也致使了人们对最好封装抉择的摸索，体系公司、高校、装备制作商、代工场和封装公司在该范畴的研讨做出了宏大的奉献。
“咱们能够看到现在更进步的体系级封装（SiP）、扇出型封装和2.5D晶圆封装的引入。”Veeco寰球光刻利用副总裁Warren Flack表现，“它们是传统倒装芯片市场的佼佼者，并将持续显现增加态势。”
向更进步的封装的改变带来了几项挑衅。比方，高密度的扇出型封装须要更小的间距和更精致的从新布线层（RDL），在封装进程中提到电衔接的感化。最新的高密度扇出型封装技巧正在冲破1μm线宽/间距（line/space）限度。具有这些要害尺寸（critical dimension，CD），扇出技巧将供给更好的机能及更优的本钱。
“存在较小CD的从新布线层可能增加扇出型封装中的从新布线层数。”Flack说道，“这又能下降总封装本钱，进步良率。现在，1μm RDL的需要量很低，但咱们估计将来几年将大幅增加。”
在封装中应用更精致的RDL CD带来了一些挑衅，即光刻技巧——一种在芯片和封装构造上构成轻微特点图案的方式。
“缩小特点图案须要用较短波长（i线或汞灯）停止暴光，并须要较大的透镜数值孔径（Numerical Aperture，NA）。”Flack说道，“这些进步扇出型封装将来面对的重要光刻挑衅是以高纵横比对亚微米RDL成像，最大限制地增加因芯片偏移、极其翘曲的衬底处置以及支撑十分大的2.5D晶圆级封装尺寸而发生的重合偏差。良率和出产率请求都增进了采取进步扇出型封装技巧的本钱回升。只有十分高的ASP（均匀贩卖价钱）装备才干累赘得起这类进步的封装技巧。”
估计这类情形短期内将会延续下去，但研发职员也正在尽力为扇出型封装和扇出型芯片组封装技巧供给一样的上风，由于当初应用硅中介层的2.5D封装技巧更昂贵。比方，ASE报导称其推出了一种名为“Fan Out Chip on Substrate”（FOCoS）的技巧，能够支撑高带宽存储器（High Bandwidth Memory，HBM2）。从前，只有2.5D封装才干采取HBM，它也是重叠式DRAM（静态随机存取存储器）的封装技巧之一。ASE（日月光）同时还向各人展现了用于异构和同构效劳器利用以及人工智能芯片和裸片的技巧。
“对于这些市场来讲，FOCoS技巧将是中介层处理计划的一种替换计划。”ASE工程部高等总监John Hunt说道，“它可供给的处理计划本钱较低，现实上比硅中介层构造存在更好的电气和热机能。”
FOCoS封装技巧通过在典范球栅阵列基板上应用扇出复合芯片来实现，该基板与尺度BGA（Ball Grid Arraye，球栅阵列封装）和基于2.5D内插器的封装中所应用的基板范例基础分歧。
图1：FOCoS封装技巧
扇出型封装技巧在挪动市场也延续发酵。苹果是首家将该技巧正当化的至公司，iPhone 7上就初次应用了台积电的集成扇出型（integrated fan-out，InFO）封装技巧。据业内子士称，苹果现在正努力于在扇出型封装的基本研发铜柱技巧，以进步机能。
挪动装备市场依然是低密度和高密度扇出型封装的重要增加驱能源。但该封装技巧也合乎1级和2级车规认证请求，以是估计汽车行业也将有所增加。
另外，另有很多对于全部行业都在开辟3D-IC技巧的报导。与扇出型封装差别，在3D-IC技巧中，存储器重叠在逻辑器件上，通过硅通孔（TSV）衔接到硅中介层。
硅通孔也被用于硅内插器中，它们正努力于在硅光子范畴找到一席之地，可作为光信号的波导。固然硅通孔尚未实现市场对其的初期猜测，但这类互连市场也正逐渐增加。
“跟着逻辑器件和存储器客户推进采取这些技巧以减小尺寸和改良机能，估计进步封装市场的增加速率将会放慢。”科林研发（Lam Research）的常务董事Manish Ranjan表现，“进步封装市场增加的初始阶段是由铜柱和晶圆级封装处理计划推进的。客户当初采取高密度扇出、硅内插器和3D封装处理计划来供给差别的体系级机能。集成电路体系集成效劳商（IDM）和体系级公司对新型封装处理计划日趋增加的需要，证明了进步封装的策略意思。”
资料替换哪家强？
更多的封装技巧研发行将到来，虽然并非全部的封装都能贴上进步封装的标签。比方，须要斟酌印刷及柔性电子技巧的开展。在这些情形下，封装能够采取柔性基板或应用3D打印机创立的资料。这些工艺大部份都采取增加剂，而不是在硅上刻蚀。
“你能够采取金属聚合物印刷，构成可融会的复合资料。”Brewer Science公司装备工程主任兼声誉退休教学Ryan Giedd说道，“如许效力更高，成绩也更少。”
分量始终是限度电动汽车开展的重要成绩之一，由于分量越轻，每次充电后续航里程就更远，而且能够像胶带一样粘在柔性衬底上，比将多个芯片集成的多层印刷电路板轻很多。然而这项技巧也刚刚起步。现在还没有好的物理模子来正确证实这些芯片在种种情形下的表示。
“这差别于硅基电子产物。”Giedd说，“该技巧会发生差别的影响，每种影响都须要差别的模子。或许明天你就不能应用现成的软件了。”
图2：柔性印刷电路板
Chiplet形式问世
小芯片（Chiplet）观点在封装范畴崛起，其基础思维是为各种元件创立即插即用的方法。Chiplet形式是为了尺度化流程，以下降本钱，使芯片制作商可能更快地构建体系。
第一家采取该形式的公司是圆满电子科技（Marvell）公司，该公司开辟了Modular Chip （MoChi?）架构，容许客户从功效菜单中停止抉择。该公司的收集首席技巧官Yaniv Kopelman说：“咱们评价了浩繁技巧选项，发明最好的方式是在多芯片组件（MCM）封装中采取尺度无机衬底。该方式有以下几个长处：起首，全部的封测厂商都晓得怎样操纵。其次，芯片的数目或放置方法也没无限制。最吸惹人的上风还属它的本钱效益。该方式的独一负面影响是带宽无限，但在大尺寸器件上没有那末主要。”
这一范畴仍有很多别的研讨正在停止。比方，美国国防高等研讨打算局（DARPA）的芯片名目（CHIPS）打算旨在简化种种当局和贸易利用中庞杂芯片的开辟。另外，Marvell和Kandou Bus又是USR（Ultra Short Reach，超短间隔衔接）同盟的成员，该同盟正在开辟一种将种种小芯片衔接在一同的尺度方式。除此以外，客岁秋季该同盟还创立了第三小组，定名为开放域特定系统构造小组（Open Domain-Specific Architecture Workgroup）。该构成员包含格罗方德（GlobalFoundries）、Netronome、Achronix、Kandou Bus、恩智浦（NXP）、Sarcina和SiFive等。
“咱们正在停止开辟观点验证。”Netronome产物副总裁Ron Renwick说道，“现在Netronome正努力于研讨衔接RISC处置器和现场可编程门阵列（FPGA）。咱们还在开辟怎样实现这一目的的技巧标准，以及从常识产权角度来看怎样实现这一目的的贸易形式。该研讨能够在6月尾实现，以后咱们将于9月份在阿姆斯特丹举行的开放盘算名目峰会（Open Compute Project Summit）上展现这一律念。”
论断
封装技巧变得越来越主要和庞杂，但同时在种种有助于下降本钱的方式上，该范畴也表现出逐步稳固上去的迹象。各方权势都在独特尽力来实现这一目的，但这也不是独一的行进途径。
更多的探讨和运动也缭绕着联合汗青上尚未处理的技巧开展，比方应用非进步制程节点摹拟器件和存储器的封装方法来实现5nm或3nm逻辑芯片封装。跟着摩尔定律的演进，开辟周期变长，开辟本钱也变高，这些节点的制程工艺开端遭到限度。这将标记着偏向的宏大改变，其影响将十分明显。
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