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引言0 {( M" e5 N- z) y4 O( x
2.5D IC集成已成为高性能计算应用的关键封装技术。本文概述2.5D IC集成、其关键组件、制造过程和发展[1]。
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什么是2.5D IC集成？; {+ L* f/ K0 ?5 H3 b
2.5D IC集成是指将多个芯片并排安装在无源中介层上，然后将中介层附着在封装基板上的封装方法。中介层通常由硅制成，包含硅通孔（TSV）和重分布层（RDL），用于提供芯片之间以及与下方封装基板的电连接。
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典型2.5D IC封装的关键组件包括：5 m2 p' k, x# W/ @
多个芯片（如处理器、内存）带有TSV和RDL的硅中介层连接芯片和中介层的微凸点连接中介层和封装基板的C4凸点封装基板用于板级连接的焊球9 `1 r- W; Z2 I8 c/ \! g
" U" W3 M$ c/ r9 J图1展示了使用台积电芯片级晶圆级封装（CoWoS）技术的典型2.5D IC封装结构：( T$ F- r9 x8 x% `- q6 L
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# f& h7 l2 w6 `* _$ i图1. CoWoS封装的横截面视图，标明关键组件+ ]$ X d5 P1 }7 Q9 F+ y# d/ P
8 c- ]8 u$ ?$ F, ^: c2 D, D F2.5D集成的主要优势5 q J* |5 e* Q4 P( g6 |1 ]$ f
2.5D集成提供了几个优势：实现异质芯片集成（如逻辑+内存）提供非常高带宽的芯片间通信允许大型芯片分割以提高良率比3D堆叠提供更好的热管理为基于Chiplet的设计提供途径/ }! s& m2 L) u( c6 x# E
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% D( ^) S. X! S( P) O制造过程/ I# v# q7 }3 C) S m
2.5D IC封装的关键制造步骤包括：制造带有TSV和RDL的硅中介层使用微凸点将芯片连接到中介层使用C4凸点将中介层连接到封装基板灌注和固化底填材料安装散热器/盖子（如果使用）
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图2. 展示了在玻璃中介层上制造穿玻孔（TGV）和RDL的工艺流程，这与硅中介层的工艺类似：
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/ K( E2 V/ h9 i3 x& v图2. 在玻璃中介层上创建TGV和RDL的工艺步骤8 e+ c" p5 H& h/ B% ^1 v
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主要挑战 {& v: n. R) h0 V
2.5D集成的主要挑战包括：大型中介层的翘曲控制热管理测试和已知良好裸片（KGD）要求硅中介层的成本微凸点和C4凸点的可靠性
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2 z1 U' C) g7 X2 {" n热管理方法
; P7 c0 [& z, U/ F. d3 K& l! p热管理对高性能2.5D封装非常重要。一些方法包括：使用导热界面材料（TIM）集成散热器和散热片在中介层中嵌入微流体冷却通道
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图3. 展示了一种在中介层中嵌入微流体冷却通道用于LED应用的新方法：
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5 ^- o9 p0 l5 N图3. 带有嵌入式微流体冷却通道的2.5D封装横截面视图，用于LED1 l) M4 W# S, C1 b1 m( ~
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最新发展和趋势! R2 J' G* i: U H% u# o
2.5D集成的一些最新发展包括：增加中介层尺寸以支持更多芯片使用玻璃等替代中介层材料在中介层中集成无源元件先进的热管理解决方案基于Chiplet的设计' ]" A! E. d6 X. O
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: }/ i8 d! d" j增加中介层尺寸* F, R" _1 t. w5 i* {) E/ _: u+ Z& c- R
为了支持更多和更大的芯片集成，中介层尺寸一直在稳步增加。图4显示了台积电CoWoS技术的路线图，说明了中介层尺寸增大的趋势：1 f5 e% B1 K, L3 F0 P
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图4. 台积电CoWoS路线图，展示中介层尺寸随时间增加
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$ \/ W% t/ @7 J4 ]+ {, t替代中介层材料( w& q! r# x# N
虽然硅仍是主要的中介层材料，但对某些应用正在探索玻璃等替代材料。图5显示了大日本印刷和旭硝子开发的用于天线封装应用的玻璃中介层：" g7 o, i* t) z
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图5.显示用于天线封装应用的玻璃中介层$ f7 X* P7 V6 q9 r% P) i( D+ C- z
. ~! Y; T: E/ j$ i9 g! y) ]8 R集成无源元件7 @, S) P3 N% k0 u9 C
为了提高电气性能并减小封装尺寸，无源元件正被集成到中介层中。图6展示了台积电在硅中介层中集成深沟电容器（DTC）的方法：
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. L8 _' \+ x0 l; p图6. 显示带有集成深沟电容器的CoWoS封装概念图
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先进的热管理
, n! m# n+ R1 p6 N, S y) {新型热管理解决方案不断被开发。图7显示了在中介层两侧都有芯片的设计，以改善热性能：
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+ N' X6 F) _& x; N% _# d0 \3 A1 J图7. 显示中介层两侧都有芯片的2.5D封装横截面视图6 ?: k: Y" }9 x; |, v% k/ p
/ R9 d; j+ J0 q1 \基于Chiplet的设计
8 e ]+ s& Y4 L2.5D集成使基于Chiplet的设计成为可能，大型SoC被划分为更小的Chiplet。图8展示了赛灵思将大型FPGA划分为四个较小的裸片的方法：
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$ h# ^5 {8 W0 J! m: [" c图8. 显示赛灵思使用中介层上四个较小裸片的切片FPGA设计6 v5 Q6 m. j ]
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商业案例
# ? \% ^2 L' J/ l" p/ V v几家公司已经将2.5D IC产品商业化：赛灵思Virtex-7 FPGA（与台积电合作）AMD Radeon R9 Fury X GPU（与联电合作）NVIDIA Tesla P100 GPU（与台积电合作）! ^; x% D/ B& ^
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9 A8 Q# P* E- s% j图9显示了AMD使用2.5D集成的Radeon R9 Fury X GPU：
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图9. 显示使用2.5D集成的AMD Radeon R9 Fury X GPU封装的俯视图* A- [+ Y2 w# j1 l
6 k7 y" W! l. x- G7 c未来展望/ }3 z# j, J3 N3 d% S4 A# M. ^) i H
2.5D集成预计将在高性能计算应用中发挥越来越重要的作用。值得关注的关键趋势包括：在FPGA和GPU之外的更多主流产品中采用增加基于Chiplet的设计使用集成光电子和射频组件先进的封装感知芯片设计技术改进的热管理解决方案( s5 S: ^- M1 E# q% U: u
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结论
# Z* I2 I; F. \# |5 e: Y4 E2.5D IC集成已成为高性能计算应用的关键使能技术。通过允许在硅中介层上集成异质芯片，2.5D集成为超越传统2D集成限制的持续性能扩展提供了一条途径。尽管在成本和热管理方面仍存在挑战，但持续的发展正在扩大2.5D集成的能力和应用。随着半导体行业向更多异质集成和基于Chiplet的设计迈进，2.5D集成将在下一代电子系统中发挥关键作用。, K7 q, {+ l: y. F& A. S* m* F
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参考文献
7 C9 f3 ]2 s( ~/ u7 @0 z[1] J. H. Lau, "Semiconductor Advanced Packaging," Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd.,2021.# |$ `2 k# M, L4 P1 o8 L
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, V2 s% @, G9 o0 M* s, W5 O深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
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