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

　　SE：我們正處于一個巨大的半導體需求周期之中。是什么驅動了它？

　　Kelly：如果你退后一步，我們的行業(yè)一直是周期性的。然后，還有一些無關的因素，例如 Covid-19 和在家工作的經(jīng)濟。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)重要驅動力的技術之一。它開始很小。這只是語音識別等數(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位置的嵌入式內(nèi)核，它可以幫助標準 GPU 更有效地渲染某種形狀并具有預測能力。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算資源，用于算法訓練和推理，這推動了高性能要求的發(fā)展。

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

　　Kelly：封裝已經(jīng)存在了很長時間。一直是這個東西通過電路板將現(xiàn)實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。很長一段時間，半導體加工有了更多的發(fā)展。你有新的晶體管和架構。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。這就是關鍵技術的中心所在。它在芯片內(nèi)部。隨著時間的推移，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，事情變得非常復雜。有不同的電壓域和晶體管要求。然后我們遇到了一個新的關口。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)點中相對較大的芯片中。因為晶圓會很貴。那就意味著即使您可以提高性能，但成本會以一種無法證明性能提升的方式上升。因此，您需要提出一個更好的經(jīng)濟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，并將其余芯片保留在其他節(jié)點上。通過以相同或更低的成本將混合節(jié)點的裸片組合在一個封裝中，您可以獲得相同的性能。所需的靈活性受到您所談論的商業(yè)市場的影響。例如，我可以使用我在 10 種不同產(chǎn)品中設計的小芯片，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) 設計。因此，封裝是將所有部分組合在一起的小信封，使這些異構結構更加強大。因此，與每次都進行定制設計相比，您的產(chǎn)品上市時間更短。

　　SE：其他問題是什么？

　　Kelly：有些公司沒有足夠的設計師來為所有市場設計定制的 SoC。但是，如果我設計小芯片，然后將它們混搭到不同的細分市場，那將更好地發(fā)揮我的設計才能。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。這推動了軟件包做更多的事情。您需要細線來保持集成。您需要管理熱廢熱或電力。您需要為越來越耗電的設備供電。這對包裝提出了額外的要求。

　　SE：這里最大的擔憂是什么？

　　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，硅會產(chǎn)生大量廢熱。它的熱效率不高。你需要把熱量倒在某個地方。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)品中進行散熱的任何人，無論是在手機殼中還是在數(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行更多的電壓轉換和電壓調(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。這迫使更多的內(nèi)容進入封裝，同時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集成設計。我們只是看到的一角。隨著我們進一步研究，與最終產(chǎn)品所需的同步的強度也在加快。您需要了解如何投資異構技術。這樣，您可以覆蓋盡可能多的應用。您還需要保持在或高于技術曲線，以便在這個激進的異構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：當你在談論扇出時，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)代的集成多個裸片或異構集成的創(chuàng)新。低密度扇出已經(jīng)存在了很長一段時間。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，但我們正在將它們成像到線條和空間方面更精細的幾何形狀。它有多層帶有微小的通孔。高密度扇出已成為整個異構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：如果你在談論高密度扇出，2μm 線路和 2μm 空間是今天的最佳選擇。代工廠和OSAT可以達到2μm-2μm。一旦低于 2μm-2μm 或 1.5μm-1.5μm，您就會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材料都是 10 或更大。當它們在一個包裝中彼此緊密接觸，并且它被加熱或冷卻時，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，但同時尺寸也在增加。所以我們在追逐一個移動的目標。

　　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 HBM？

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

　　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)并針對其算法運行以改進算法。當您在手機上的語音識別效果更好時，并不是因為您的手機變得更好。這是因為這些高端的人工智能 GPU 可以處理更多的數(shù)據(jù)并且算法更好。所有這些培訓都在數(shù)據(jù)中心進行。

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

　　Kelly：通常，當人們說掩模版尺寸時，他們指的是半導體晶圓廠掩模版尺寸。當您談論 3X 或 4X 封裝中的標線尺寸時，這是一個關于插入器可能有多大的術語。在 2.5D 中，您可能有兩個或四個 ASIC。6 個 HBM 是比較主流的。你可以看到八個，也許是 10 個 HBM。它會在那里達到頂峰。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。也許你最好把那個巨大的 2.5D 包放在兩個包中。然后，您需要找到一種方法來做到這一點，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，如果它是一個大功率設備，你可以將這些中介層與嵌入式電容器結合起來。這有助于管理輸入芯片的電壓功率。內(nèi)插器總是有點挑戰(zhàn)，因為很難找到內(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)濟上講，對于晶圓廠來說，這不是一個好生意。該晶圓廠希望銷售高端硅。問題是我們是否會從硅中介層轉向基于 HBM 的產(chǎn)品的有機中介層？它們在供應鏈中更容易獲得。還是我們會繼續(xù)使用硅？陪審團還在外面。有一段時間，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，因為它們可以工作。

　　SE：您認為 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SoC中取出一個或多個片段，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)類似小芯片的設計，對吧？

　　凱利：這里有兩個方向。首先，有些公司在這個競爭激烈的市場中處于領先地位。你有像 AMD、英特爾和其他一些公司這樣的領導者。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。這些設計給了他們競爭優(yōu)勢。他們不會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間環(huán)境中管理成本。

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

　　Kelly：Open Domain-Specific Architecture (ODSA) 子項目提供了開源 die-to-die 技術。多家公司正在共同努力。這些技術非常具有競爭力，這意味著它們有足夠的帶寬來支持各種小芯片架構。它們足夠靈活，可以支持細間距，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，您將擁有一個不斷發(fā)展的世界，由于其自身的性能、成本和上市時間的原因，需要小芯片。

　　SE：未來，假設一家公司希望與 OSAT 合作，使用這些接口開發(fā)小芯片設計。這將如何發(fā)展？

　　凱利：總線選擇、總線認證和總線設計將始終存在于 ASIC 或處理器設計社區(qū)中。未來，假設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。但它比這復雜得多，因為它需要巨大的仿真能力來確保在您的設計階段一切正常。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)品進行更全面的電氣驗證。這是一個緩慢增長的趨勢。我提到了兩個層次。隨著第二層開始開發(fā)更多產(chǎn)品，我們可能會看到更多的設計周期在 OSAT 內(nèi)部進行。

　　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才能將其連接起來并使其工作。通常它歸結為幾個簡單的事情——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。歸根結底，我們實際上并沒有進行電氣設計，但隨著時間的推移，我們會看到更多。從本質上講，OSAT 不會關心 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。需要一兩年的時間才能使封裝取得重大進展并做好準備。

　　SE：混合鍵合呢？OSAT 能做到這一點嗎？

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

　　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)。硅很復雜。它是高 CTE 金屬和有機材料與低 CTE 體硅的混合物。這是一個非常不均勻的系統(tǒng)。你從這個塊狀硅硅片開始，然后你幾乎可以處理堆棧中的所有東西。所以它在機械上更具可預測性。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)將更容易實現(xiàn)。翹曲不會那么具有挑戰(zhàn)性。壓力會更低。可靠性會更好。成本目標將更容易實現(xiàn)。