小芯片的设计重用及封装-煤油灯科技

小芯片的设计重用及封装

煤油灯科技2023-03-17 12:10

小芯片是具有特殊功能的小型IC管芯。根据半导体行业的异构集成趋势，这些器件按设计组合成一个更大的集成电路，即从一系列小型、高度专业化的芯片中选择，然后将这些芯片混合搭配，以产生所需的整体功能。目前，主要供应商已经生产出结合一定数量小芯片的计算机处理器，而不是走单片半导体制造的传统路线，即在单片硅上制造器件。

尽管小芯片概念存在了几十年，基于小芯片的封装正在推动用于特殊应用的新型组件、产品和系统的发展。这些组件是为特定应用量身定制的，越来越多的公司正在进入芯片设计行列，专注于将小芯片作为核心处理器。根据相关研究论文、专利申请和技术文章的数量，基于小芯片的组件将会继续存在。

如果你是一名系统设计师，正在权衡处理器选项，你可能没有意识到小芯片是你系统的基础。然而，小芯片是实现现代芯片中各种功能的支柱，封装概念继续推动新功能集成到芯片设计中。例如，将FPGA模块和AI加速器模块集成到同一个封装中，作为存储器、CPU甚至RF组件。

1、为什么用小芯片？

成本和性能是芯片设计和制造中最紧迫的两个问题。近年来，Dennard scaling和摩尔定律的速度放缓，导致工艺节点间的时间跨度更长。此外，在单芯片上集成晶体管正变得越来越具有挑战性，因为几乎没有可用于器件缩放的选项。由于制造工艺成本更高，这些挑战降低了单片半导体的投资回报率。

增加晶体管数量的唯一方法是在器件平面或垂直方向上扩大芯片面积。增加芯片面积引发的问题是，越大的芯片越容易出现制造缺陷，这限制了晶片的良率，并增加了交付给客户的产品的价格。鉴于不断增长的计算需求，单芯片越来越不能提供期望的性能。

封装基板上的单芯片（左）与基于小芯片的封装（右）。

为了支持高性能计算应用，如设备上AI/ML、超高速网络、传感器融合和下一代移动设备，我们已经看到基于小芯片的系统的出现，经济高效地开发高性能电子产品。这已经从高级SoC跨越到桌面/服务器处理器和GPU。

2、攀升的“面积墙”

“面积墙”（area wall）是高性能计算系统对大面积芯片需求与半导体制造低良率之间不匹配的结果。“面积墙”是单片半导体制造中的挑战，在单片半导体制造中，使用更大芯片来增加特征密度，然而缺陷数也增加了。随着制造处理能力转移到更先进的节点，处理良率下降，导致终端客户的成本增加。因此，通过消除缺陷几率来降低这些产品的生产风险的想法总是有前景的。

“面积墙”解决方案通过减少制造过程中的浪费来降低最终产品的总成本。通过将制造分散到多个半导体芯片上，小芯片从本质上分散了产品风险。最终降低了成本，并且能够将功能多样化到比单片元件大得多的程度。

3、降低的价格

多个小芯片与特殊封装技术结合，可组成一个更大IC，作为单片结构的替代方案。由于小芯片是在较小面积上制造的，通常是晶圆上，制造缺陷的影响减少了，面积利用率增加了，也降低了成本，因为使用小芯片创建组件时，晶片产量显著提高了。

异构集成是小芯片的另一显著优势，特别是在降低IC设计和生产成本方面。每个小芯片可以使用不同的工艺节点制造，AMD透露他们的锐龙7产品就是这样做的。AMD的另一个例子是最近一项基于小芯片的GPU专利。

AMD基于小芯片的GPU。

利用这种方法，多种材料（例如，GaN和Si小芯片）也可以组合到同一封装中。不同工艺技术节点的使用降低了产品的整体风险；最高风险仅局限于在最先进的工艺节点生产小芯片，而不是整个芯片。

4、设计重用

一旦开发出小芯片，就可以重复使用，从而降低测试和验证的成本。通过使用小芯片模块，芯片设计过程的成本效率显著提高，因为它们可以重复使用。小芯片再利用的一种情况是仅设计和制造IC的核心小芯片，而封装中的剩余小芯片从另一个供应商处获得。将这种方法用于多个供应商的现成小芯片，或者在新设计中重用IP，可以大大降低产品的总设计和验证成本。

在需要对系统进行任何更新的情况下，可以将封装内的一个小芯片换成另一个小芯片。请注意，封装本身可能需要更新，但这比重新设计整个单片组件要容易得多。系统的一小部分也可以重新设计，而不会产生在单片半导体封装中出现的新的验证成本。这种小芯片重用的方法称为“异构重用”（heterogeneous reuse）。

小芯片重用的另一种情况是将多个相同的小芯片集成到同一系统中。这种方法是可扩展系统的理想选择，可以显著提高系统效率，同时降低成本。这被称为同质再利用方法，其主要优点是增加架构中的小芯片数量就可满足各种性能和功耗要求。

5、小芯片封装技术

为了制造基于小芯片的产品，需要设计技能、模具、模具之间的连接以及生产策略。小芯片封装技术的性能、价格和成熟度对小芯片的应用具有重大影响。根据连接介质和方法的不同，用于小芯片互连的封装技术可分为以下四类：

- 基板封装

- 硅内插器封装

- 再分配层（RDL）包装

- 嵌入式多芯片互连桥（EMIB）

（1）基于基板的封装

在基于基板的封装中，基板的普遍选择是有机材料，因为这些材料容易获得。与传统的PCB类似，布线连接是通过蚀刻工艺进行的，该工艺独立于半导体制造中使用的其他工艺。这就是众所周知的2D异质融合的最早化身。

通过倒装芯片设计或堆叠，几个管芯可以容易地以高密度接合到基板上。此外，与之相关的材料和制造成本也很低，因为这项技术不依赖于芯片制造工艺。使用这种技术的主要缺点是I/O引脚密度低，从而限制了这些封装中互连的带宽。

（2）硅内插器封装

该技术跨越2.5D和3D封装技术，其中芯片横向构建在内插器（Interposer）上（2.5D）或垂直堆叠（3D）。为了实现管芯之间的互连和通信，硅内插器被放置在衬底和管芯之间。内插器就像一个微型PCB板，本质上为小芯片之间的电连接提供了基板。互连结构由封装内部的金属触点（称为微凸点）和硅通孔（TSV）构成。这些用于将管芯连接到内插器，并将内插器连接器连接到具有BGA焊盘图案的封装基板。

硅内插器封装。

这些产品具有更高的I/O密度、更低的功耗和更低的传输延迟。这是由于微凸点和tsv之间的走线长度和间距较小。这种技术的唯一显著缺点是制造成本增加。

（3）RDL封装

再分布层（RDL）封装技术不使用衬底，而是直接在晶片的顶面上直接沉积电介质和金属。这项技术也被称为“扇出”技术。布线设计时，重新分布层应使每个小芯片的I/O端口都围绕器件。通过缩短电路长度，RDL提供了更好的信号完整性（更低的损耗和失真）。

（4）嵌入式多管芯互连桥

EMIB（Embedded Multi-die Interconnect Bridge）是一种通过嵌入有机材料中的薄硅晶片作为D2D互连衬底的技术。使用不同的小芯片桥接封装，可解决先进产品成本较高的问题。这种混合封装技术是基于基板封装和基于中介层封装的结合。在衬底上涂覆小于75微米的薄硅层，形成管芯间连接后，将这些层嵌入有机衬底层中。

这一概念与ELIC在HDI PCBs使用的想法相同，即每层互连结构将多个芯片连接到绝缘（有机）基板的内层。封装的EMIB部分是一个硅桥，在小芯片之间提供高带宽连接。