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漫谈先进封装技术之2.5D封装

时间:2021-03-30 作者:格芯中国芯片设计中心 阅读:
作为摩尔定律生命周期的重要延续,2.5D先进封装成为在半导体产品由二维向三维发展进程中的一大技术亮点,也成为超级电脑和人工智能等应用的必备武器。
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作者:

张   成    部门经理,   封装设计部,格芯中国芯片设计中心
谈玲燕   资深工程师,封装设计部,格芯中国芯片设计中心
张海东   资深工程师,封装设计部,格芯中国芯片设计中心

 

随着“超越摩尔”时代的迅速发展,作为摩尔定律生命周期的重要延续,2.5D先进封装成为在半导体产品由二维向三维发展进程中的一大技术亮点,也成为超级电脑和人工智能等应用的必备武器。本文将和大家一起来聊一聊2.5D先进封装。

什么是2.5D?

2.5D封装是一种先进的异构芯片封装,可以实现多个芯片的高密度线路连接,集成为一个封装。在2.5D封装中,芯片并排放置在中介层(interposer)顶部,通过芯片的微凸块(uBump)和中介层中的布线实现互连。中介层通过硅通孔(TSV)实现上下层的互连,再通过锡球(C4)焊接至传统2D的封装基板上。

图片来源:Globalfoundries

中介层(Silicon Interposer)

中介层是一种由硅和有机材料制成的硅基板,是先进封装中多芯片模块传递电信号的管道,可以实现芯片间的互连,也可以实现与封装基板的互连,充当多颗裸片和电路板之间的桥梁。硅中介层是一种经过验证的技术,具有较高的细间距布线能力和可靠的TSV能力,可以实现高密度I/O需求,在2.5D封装中扮演着关键角色。

硅通孔(TSV-Through Silicon Via)

硅通孔(TSV)是2.5D封装解决方案的关键实现技术,是在晶圆中填充以铜,提供贯通硅晶圆裸片的垂直互连,用最短路径将硅片一侧和另一侧进行电气连通。 

高带宽内存(High Bandwidth Memory)

HBM颗粒通过3D封装技术,将多个Dram进行堆叠,实现高带宽和大容量集成。从最早的HBM到HBM2一直到最新的HBM2E,HBM的信号速率成倍提升,满足了各类先进产品对带宽的需求。

为什么需要2.5D?

原因其实很简单----巨大的市场需求。随着市场越来越多元化,人工智能、大数据、云计算等应用相继兴起,都希望有更高的运算速率,更高的带宽,以及相对较低的成本和功耗。通过2.5D先进封装集成各类先进的CPU/GPU和高带宽内存,刚好可以满足这一切。

为什么这么说呢?我们反观市面上其他主流的先进封装形式:

  • SoC (System-on-chip):系统级芯片,功耗低性能好,但是成本高产量低,整个方案集成在一个先进工艺颗粒中,实现成本和可靠性都是巨大的挑战;
  • 2D封装SiP(System in Package)和SoB(System on Board):系统级封装,灵活机动,成本低,但由于是普通封装和板级的工艺,布线密度受限,导致整个产品带宽受限,尺寸偏大;
  • 3D封装:低功耗超大带宽,但成本高,且在长期可靠性和散热方面受限,因此目前也主要应用于HBM领域。

而成熟的2.5D封装恰好实现了从成本、性能到可靠性的完美平衡。 

根据Yole最新的市场调查,先进封装市场营收将从2019年8.84亿增长到2025年的47亿美元,年复合增长率达32%,主要在电信设备和移动消费领域,自动驾驶将是增长最快的领域。

数据来源Yole调查报告(2020)

而其中的2.5D硅基板的营收,也将从2019年的1.6亿增长到2025年的14.9亿美金。2020年到2025年期间将是增长的高爆期,其年复合增长率将达到44%,可见2.5D先进封装增长之迅猛。

数据来源Yole调查报告(2020)

值得一提的是2.5D封装产业的供应链形式也和以往不同,以往的封装供应链分工明确,晶圆代工厂提供裸die,再由OSAT完成封装和测试。而在2.5D封装产业中传统的前端到后端半导体供应链正在发生改变,不同的商业模式(比如晶圆代工厂,IDM,OSAT)都在竞争2.5D这一高端封装市场,使得进入的壁垒越来越高。

来源Yole调查报告(2020)

由于2.5D封装中的主要组成部分硅中阶层采用的是硅工艺,因此各晶圆代工厂在整个供应链中占据着重要角色,格芯(Globalfoundries)就是其中的主要成员。

2018年格芯宣布将专注于更据优势的差异化解决方案,2.5D先进封装就是其中重要组成部分。格芯的2.5D封装技术基于格芯成熟的铜互连工艺,有3层Metal和4层Metal工艺可供客户选择。

图片来源:Globalfoundries

格芯2.5D封装技术2017年产品化,至今已成功应用于国内外多个系统厂家的高端芯片,可以覆盖不同产品尺寸。ASIC芯片尺寸最大可支持25x25mm,ubump最小间距50um, C4最小间距130um,整体封装尺寸最大支持70x70mm。可以带2~4个HBM颗粒,最大速率支持3.2Gbps(HBM2E),并且是基于3层Metal工艺实现的Interposer,更具成本优势。

 图片来源:Globalfoundries

在2.5D先进封装设计服务方面,格芯已完成从物理实现,到仿真分析,到物理验证的全流程开发,并持续开发支持多个主流EDA厂家的设计流程,方便不同客户使用。

图片来源:Globalfoundries

另外格芯与第三方IP厂家以及各OSAT(Amkor, ASE等)都有完善的长期合作关系,因此格芯也提供一站式服务(从设计到生产加工),使客户的产品拥有快速、高质量和高性价比的设计和生产方案,让产品能更快地进入市场,同时保证了独特的技术和方案。

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