近日，Amkor先進(jìn)封裝開發(fā)和集成副總裁 Michael Kelly與半導(dǎo)體工程公司坐下來討論先進(jìn)封裝以及該技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。以下是該討論的摘錄。

　　SE：我們正處于一個(gè)巨大的半導(dǎo)體需求周期之中。是什么驅(qū)動(dòng)了它？

　　Kelly：如果你退后一步，我們的行業(yè)一直是周期性的。然后，還有一些無關(guān)的因素，例如 Covid-19 和在家工作的經(jīng)濟(jì)。這有助于加劇這些芯片短缺。此外，人工智能是已成為我們行業(yè)重要驅(qū)動(dòng)力的技術(shù)之一。它開始很小。這只是語音識(shí)別等數(shù)據(jù)中心所需的東西?，F(xiàn)在，人工智能幾乎無處不在，即使它只是一塊硅片中某個(gè)位置的嵌入式內(nèi)核，它可以幫助標(biāo)準(zhǔn) GPU 更有效地渲染某種形狀并具有預(yù)測能力。它可能用于平凡的事情，但它無處不在。人工智能的問題在于它需要大量的計(jì)算資源，用于算法訓(xùn)練和推理，這推動(dòng)了高性能要求的發(fā)展。

　　SE：IC 封裝并不新鮮，但幾年前它主要是在后臺(tái)。封裝簡單地封裝和保護(hù)芯片。最近，封裝變得更加重要。發(fā)生了什么變化？

　　Kelly：封裝已經(jīng)存在了很長時(shí)間。一直是這個(gè)東西通過電路板將現(xiàn)實(shí)世界連接到集成電路。您需要將來自硅的信號傳遞給人們可以用來創(chuàng)建產(chǎn)品的東西。封裝簡單地安裝在電路板上。很長一段時(shí)間，半導(dǎo)體加工有了更多的發(fā)展。你有新的晶體管和架構(gòu)。您有使用相同晶體管或更好晶體管來提高性能的新方法。這就是 50 多年來的故事。這就是關(guān)鍵技術(shù)的中心所在。它在芯片內(nèi)部。隨著時(shí)間的推移，更多的電子功能被內(nèi)置在中央處理器內(nèi)部和周圍。然后，事情變得非常復(fù)雜。有不同的電壓域和晶體管要求。然后我們遇到了一個(gè)新的關(guān)口。為了以合理的成本不斷提高性能，您不能只將所有這些功能都放入尖端節(jié)點(diǎn)中相對較大的芯片中。因?yàn)榫A會(huì)很貴。那就意味著即使您可以提高性能，但成本會(huì)以一種無法證明性能提升的方式上升。因此，您需要提出一個(gè)更好的經(jīng)濟(jì)模型來保持該性能成本比。一種方法是將高速資產(chǎn)（例如處理器內(nèi)核）拉入前沿節(jié)點(diǎn)，并將其余芯片保留在其他節(jié)點(diǎn)上。通過以相同或更低的成本將混合節(jié)點(diǎn)的裸片組合在一個(gè)封裝中，您可以獲得相同的性能。所需的靈活性受到您所談?wù)摰纳虡I(yè)市場的影響。例如，我可以使用我在 10 種不同產(chǎn)品中設(shè)計(jì)的小芯片，并在封裝級別以不同方式重新組合它們。那我就不需要全定制了這些產(chǎn)品中的每一種的片上系統(tǒng)(SoC) 設(shè)計(jì)。因此，封裝是將所有部分組合在一起的小信封，使這些異構(gòu)結(jié)構(gòu)更加強(qiáng)大。因此，與每次都進(jìn)行定制設(shè)計(jì)相比，您的產(chǎn)品上市時(shí)間更短。

　　SE：其他問題是什么？

　　Kelly：有些公司沒有足夠的設(shè)計(jì)師來為所有市場設(shè)計(jì)定制的 SoC。但是，如果我設(shè)計(jì)小芯片，然后將它們混搭到不同的細(xì)分市場，那將更好地發(fā)揮我的設(shè)計(jì)才能。封裝在這里混合在一起。因此，如果您分解 SoC，則需要在封裝級別重新聚合 IP 塊，才能擁有功能齊全的產(chǎn)品。這推動(dòng)了軟件包做更多的事情。您需要細(xì)線來保持集成。您需要管理熱廢熱或電力。您需要為越來越耗電的設(shè)備供電。這對包裝提出了額外的要求。

　　SE：這里最大的擔(dān)憂是什么？

　　Kelly：功耗是很大的挑戰(zhàn)。由于封裝級別的集成，它在封裝行業(yè)受到歡迎。不幸的是，硅會(huì)產(chǎn)生大量廢熱。它的熱效率不高。你需要把熱量倒在某個(gè)地方。我們必須以我們可以參與的方式參與，這是在芯片和封裝邊緣之間。對于在最終產(chǎn)品中進(jìn)行散熱的任何人，無論是在手機(jī)殼中還是在數(shù)據(jù)中心的水冷卻器中，我們都必須使其盡可能具有熱效率。我們必須為高性能封裝提供多少實(shí)際電流也變得有趣。功率沒有下降，但電壓正在下降。為了提供相同的總功率或更多功率，我們的電流正在上升。像需要解決電遷移問題。我們可能需要在封裝中進(jìn)行更多的電壓轉(zhuǎn)換和電壓調(diào)節(jié)。這樣，我們可以將更高的電壓帶入封裝，然后將它們分成更低的電壓。這意味著我們不必將盡可能多的總電流拖入封裝。因此，電能以兩種方式打擊我們。這是熱量，但它也在以電力方式管理電力輸送網(wǎng)絡(luò)。這迫使更多的內(nèi)容進(jìn)入封裝，同時(shí)也在熱功耗方面盡力而為。

　　SE：還有其他挑戰(zhàn)嗎？

　　Kelly：我們開始看到很多異構(gòu)集成設(shè)計(jì)。我們只是看到的一角。隨著我們進(jìn)一步研究，與最終產(chǎn)品所需的同步的強(qiáng)度也在加快。您需要了解如何投資異構(gòu)技術(shù)。這樣，您可以覆蓋盡可能多的應(yīng)用。您還需要保持在或高于技術(shù)曲線，以便在這個(gè)激進(jìn)的異構(gòu)封裝空間中跟上并挑戰(zhàn)您的競爭對手。

　　圖 1：2.5D 封裝、高密度扇出 (HDFO)、橋接封裝和小芯片示例。資料來源：安靠

　　SE：扇出式封裝正在流行起來。在扇出的一個(gè)示例中，DRAM die堆疊在封裝中的處理器上。什么是扇出封裝，它有什么承諾？

　　Kelly：當(dāng)你在談?wù)撋瘸鰰r(shí)，它有助于將其分為兩部分。有低密度扇出。然后是高密度扇出，這是一種更現(xiàn)代的集成多個(gè)裸片或異構(gòu)集成的創(chuàng)新。低密度扇出已經(jīng)存在了很長一段時(shí)間。它具有良好的電性能。它往往具有低層數(shù)。封裝也可以很薄。低密度扇出非常適合許多產(chǎn)品，尤其是移動(dòng)產(chǎn)品。然后是我所說的高密度扇出。這包含相同的銅和電介質(zhì)，但我們正在將它們成像到線條和空間方面更精細(xì)的幾何形狀。它有多層帶有微小的通孔。高密度扇出已成為整個(gè)異構(gòu)宇宙中如何將小芯片集成到更大模塊中的競爭者。

　　SE：扇出和其他封裝具有重新分布層 (RDL)，它們是將一個(gè)裸片電連接到封裝的另一部分的微小金屬跡線。RDL 的線和空間尺寸是多少？

　　Kelly：如果你在談?wù)摳呙芏壬瘸觯?μm 線路和 2μm 空間是今天的最佳選擇。代工廠和OSAT可以達(dá)到2μm-2μm。一旦低于 2μm-2μm 或 1.5μm-1.5μm，您就會(huì)看到制作痕跡的方式略有不同。但它在很大程度上是相同的電介質(zhì)和銅。許多公司正在研究亞 1μm 線/空間。這些幾何形狀將是未來的路徑。它歸結(jié)為產(chǎn)品需要什么。在接下來的幾年里，2μm-2μm 將成為很多產(chǎn)品的最佳選擇。但隨著間距超過 40μm，將面臨添加更多層和/或更小的線、空間和通孔的壓力。

　　SE：扇出封裝容易發(fā)生芯片移位和翹曲。這里發(fā)生了什么事？

　　凱利：在過去，壓力是封裝業(yè)存在的禍根。那還在那里。新型單芯片和多芯片封裝的最大挑戰(zhàn)之一是翹曲。不幸的是，硅的熱膨脹系數(shù)約為 2。每加熱或冷卻 1 攝氏度，它的膨脹系數(shù)就是百萬分之二。我們在它周圍使用的所有有機(jī)材料都是 10 或更大。當(dāng)它們在一個(gè)包裝中彼此緊密接觸，并且它被加熱或冷卻時(shí)，你正在不同地膨脹和收縮，這取決于你在堆棧中的位置。那就是讓事情脫離平面。沒有扁平封裝之類的東西。它有某種翹曲或彎曲。它可能肉眼看不到，但它始終存在。這也增加了壓力。翹曲是我們必須管理的。如今，我們有很好的工具來管理它。與 10 年前相比，我們有更好的材料選擇。管理給定尺寸的翹曲變得越來越容易，但同時(shí)尺寸也在增加。所以我們在追逐一個(gè)移動(dòng)的目標(biāo)。

　　SE：扇出封裝現(xiàn)在包含高帶寬內(nèi)存 (HBM)。您可以在扇出中加入多少個(gè) HBM？

　　凱利：兩個(gè)或四個(gè)HBM都沒問題。當(dāng)你變大時(shí)，你必須擔(dān)心翹曲。您必須擔(dān)心在模塊中移動(dòng)壓力。問題是，你能控制翹曲嗎？你能管理權(quán)力嗎？你能保持所有調(diào)制器連接在一個(gè)有意義的音高上嗎？你能管理大電流和電遷移嗎？當(dāng)你變得更大時(shí)，挑戰(zhàn)并不是線性增加的。它更像是一個(gè)漸近增加。

　　SE：2.5D呢？

　　Kelly：2.5D是高端AI產(chǎn)品的中流砥柱，尤其是GPU。這是一個(gè)龐大且不斷增長的市場。2.5D 用于數(shù)據(jù)中心以獲取 zettabytes 數(shù)據(jù)并針對其算法運(yùn)行以改進(jìn)算法。當(dāng)您在手機(jī)上的語音識(shí)別效果更好時(shí)，并不是因?yàn)槟氖謾C(jī)變得更好。這是因?yàn)檫@些高端的人工智能 GPU 可以處理更多的數(shù)據(jù)并且算法更好。所有這些培訓(xùn)都在數(shù)據(jù)中心進(jìn)行。

　　SE：在 2.5D/3D 和其他封裝中，有很多關(guān)于標(biāo)線尺寸的討論。這意味著什么？

　　Kelly：通常，當(dāng)人們說掩模版尺寸時(shí)，他們指的是半導(dǎo)體晶圓廠掩模版尺寸。當(dāng)您談?wù)?3X 或 4X 封裝中的標(biāo)線尺寸時(shí)，這是一個(gè)關(guān)于插入器可能有多大的術(shù)語。在 2.5D 中，您可能有兩個(gè)或四個(gè) ASIC。6 個(gè) HBM 是比較主流的。你可以看到八個(gè)，也許是 10 個(gè) HBM。它會(huì)在那里達(dá)到頂峰。這不僅僅是你在封裝中獲得了多少 HBM，還包括封裝的有效性。也許你最好把那個(gè)巨大的 2.5D 包放在兩個(gè)包中。然后，您需要找到一種方法來做到這一點(diǎn)，并查看所有系統(tǒng)挑戰(zhàn)，例如熱力和電力管理。

　　SE：2.5D還有其他問題嗎？

　　凱利：它們很大。內(nèi)插器它本身就是一塊技術(shù)含量相對較低的硅片。它上面有物理路由。然后，如果它是一個(gè)大功率設(shè)備，你可以將這些中介層與嵌入式電容器結(jié)合起來。這有助于管理輸入芯片的電壓功率。內(nèi)插器總是有點(diǎn)挑戰(zhàn)，因?yàn)楹茈y找到內(nèi)插器的來源。代工廠內(nèi)的中介層可用性是有限的。制造 5nm 芯片可以比插入器賺更多的錢。從經(jīng)濟(jì)上講，對于晶圓廠來說，這不是一個(gè)好生意。該晶圓廠希望銷售高端硅。問題是我們是否會(huì)從硅中介層轉(zhuǎn)向基于 HBM 的產(chǎn)品的有機(jī)中介層？它們在供應(yīng)鏈中更容易獲得。還是我們會(huì)繼續(xù)使用硅？陪審團(tuán)還在外面。有一段時(shí)間，它將是硅。這是可靠的。它很健壯。這些是最終客戶不一定想弄亂的長期產(chǎn)品，因?yàn)樗鼈兛梢怨ぷ鳌?/p>

　　SE：您認(rèn)為 HBM3 即將推出 2.5D 嗎？

　　凱利：處于人工智能前沿的人們已經(jīng)在努力準(zhǔn)備這些產(chǎn)品。

　　SE：小芯片在哪里適合？

　　凱利：對我來說，小芯片就是你從單個(gè)SoC中取出一個(gè)或多個(gè)片段，然后分解一些功能塊或功能塊的集合，這些功能塊或功能塊的集合原本是離散 SoC 的一部分。然后，必須在封裝級別重新集成小芯片。

　　SE：我們已經(jīng)看到一些公司使用 die-to-die 互連開發(fā)類似小芯片的設(shè)計(jì)，對吧？

　　凱利：這里有兩個(gè)方向。首先，有些公司在這個(gè)競爭激烈的市場中處于領(lǐng)先地位。你有像 AMD、英特爾和其他一些公司這樣的領(lǐng)導(dǎo)者。他們在自己的 die-to-die 小芯片總線接口上投入了大量資金。其中一些是專有的。這些設(shè)計(jì)給了他們競爭優(yōu)勢。他們不會(huì)確切地告訴世界其他地方他們是如何做他們的小芯片接口的。在這個(gè)競爭激烈的高性能市場中，他們需要這種優(yōu)勢。還有另一個(gè)方向，有很多產(chǎn)品需要從現(xiàn)在的 SoC 遷移。也許他們是一年或幾年的時(shí)間。出于與其他人相同的原因，他們也將需要小芯片。他們需要在工程資源有限的上市時(shí)間環(huán)境中管理成本。

　　SE：另一個(gè)陣營需要多種技術(shù)來啟用小芯片。例如，要將封裝中的一個(gè)小芯片連接到另一個(gè)小芯片，它們將需要芯片到芯片的互連，對嗎？

　　Kelly：Open Domain-Specific Architecture (ODSA) 子項(xiàng)目提供了開源 die-to-die 技術(shù)。多家公司正在共同努力。這些技術(shù)非常具有競爭力，這意味著它們有足夠的帶寬來支持各種小芯片架構(gòu)。它們足夠靈活，可以支持細(xì)間距，如果是 MCM（多芯片模塊），甚至可以支持更大的間距。再一次，將有兩個(gè)層次。頂層正在開發(fā)他們自己的 die-to-die 接口，這些接口大多是專有的。然后，您將擁有一個(gè)不斷發(fā)展的世界，由于其自身的性能、成本和上市時(shí)間的原因，需要小芯片。

　　SE：未來，假設(shè)一家公司希望與 OSAT 合作，使用這些接口開發(fā)小芯片設(shè)計(jì)。這將如何發(fā)展？

　　凱利：總線選擇、總線認(rèn)證和總線設(shè)計(jì)將始終存在于 ASIC 或處理器設(shè)計(jì)社區(qū)中。未來，假設(shè)商家交易所足夠開放，人們可以從商店采購物理硅。然后，你需要構(gòu)建原型，所以你去OSAT. 這可能是您將來可以看到的商業(yè)模式。但它比這復(fù)雜得多，因?yàn)樗枰薮蟮姆抡婺芰泶_保在您的設(shè)計(jì)階段一切正常。我們的客戶現(xiàn)在這樣做了，盡管我們已經(jīng)看到一些客戶來找我們，要求對產(chǎn)品進(jìn)行更全面的電氣驗(yàn)證。這是一個(gè)緩慢增長的趨勢。我提到了兩個(gè)層次。隨著第二層開始開發(fā)更多產(chǎn)品，我們可能會(huì)看到更多的設(shè)計(jì)周期在 OSAT 內(nèi)部進(jìn)行。

　　SE：還需要發(fā)生什么？

　　凱利：我們知道這些總線類型。作為 OSAT，我們需要了解的是需要什么樣的封裝技術(shù)才能將其連接起來并使其工作。通常它歸結(jié)為幾個(gè)簡單的事情——凸塊尺寸、凸塊間距、線寬、通孔，也許還有層數(shù)。所以我們需要了解這些總線以及它們?nèi)绾斡绊懛庋b。歸根結(jié)底，我們實(shí)際上并沒有進(jìn)行電氣設(shè)計(jì)，但隨著時(shí)間的推移，我們會(huì)看到更多。從本質(zhì)上講，OSAT 不會(huì)關(guān)心 die-to-die 接口是 XSR、AIB 還是其他什么，只要您提前開發(fā)了需要的東西。需要一兩年的時(shí)間才能使封裝取得重大進(jìn)展并做好準(zhǔn)備。

　　SE：混合鍵合呢？OSAT 能做到這一點(diǎn)嗎？

　　凱利：當(dāng)然。我們正在接近您可以購買該技術(shù)的地步。通過一些投資和你自己的發(fā)展，你可以到達(dá)那里。因此，OSAT 做到這一點(diǎn)并不存在巨大的技術(shù)障礙。這取決于什么是有效的商業(yè)案例，它會(huì)迫使 OSAT 進(jìn)入該業(yè)務(wù)。我們正在深入了解這項(xiàng)技術(shù)。

　　SE：封裝行業(yè)是否需要新的突破？

　　凱利：我希望有人能發(fā)明一種基于 CTE 更高的硅。這對我們有很大幫助。如果我們有更低的壓力以及來自彼此更接近的不同材料的 CTE，我們將面臨今天在封裝中面臨的一半挑戰(zhàn)。硅很復(fù)雜。它是高 CTE 金屬和有機(jī)材料與低 CTE 體硅的混合物。這是一個(gè)非常不均勻的系統(tǒng)。你從這個(gè)塊狀硅硅片開始，然后你幾乎可以處理堆棧中的所有東西。所以它在機(jī)械上更具可預(yù)測性。如果我們能夠提出能夠縮小硅之間 CTE 差異的材料組，那么更大的系統(tǒng)將更容易實(shí)現(xiàn)。翹曲不會(huì)那么具有挑戰(zhàn)性。壓力會(huì)更低?？煽啃詴?huì)更好。成本目標(biāo)將更容易實(shí)現(xiàn)。