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什么是3.5D封裝?

01/22 11:50
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最近,在先進(jìn)封裝領(lǐng)域又出現(xiàn)了一個新的名詞“3.5D封裝”,以前聽?wèi)T了2.5D和3D封裝,3.5D封裝又有什么新的特點呢?還是僅僅是一個吸引關(guān)注度的噱頭?

今天我們就詳細(xì)解讀一下。

首先,我們要了解以下幾個名詞的確切含義,2.5D,3D,Hybrid Bonding,HBM。

2.5D??

在先進(jìn)封裝領(lǐng)域,2.5D是特指采用了中介層(interposer)的集成方式,中介層目前多采用硅材料,利用其成熟的工藝和高密度互連的特性。雖然理論上講,中介層中可以有TSV也可以沒有TSV,但在進(jìn)行高密度互聯(lián)時,TSV幾乎是不可缺少的,中介層中的TSV通常被稱為2.5D TSV。2.5D封裝的整體結(jié)構(gòu)如下圖所示。

3D??

和2.5D是通過中介層進(jìn)行高密度互連不同,3D是指芯片通過TSV直接進(jìn)行高密度互連。

大家知道,芯片面積不大,上面又密布著密度極高的電路,在芯片上進(jìn)行打孔自然不是容易的事情,通常只有Foundry廠可以做得到,這也是為什么到了先進(jìn)封裝時代,風(fēng)頭最盛的玩家成了TSMC, Intel, Samsung這些工藝領(lǐng)先的芯片廠商。因為最先進(jìn)的工藝掌握在他們手里,在這一點上,傳統(tǒng)的OSAT還是望塵莫及的。

在芯片上直接生成的TSV則被稱為3D TSV,3D封裝的整體結(jié)構(gòu)如下圖所示。

Hybrid Bonding

Hybrid Bonding混合鍵合技術(shù),是一種在相互堆疊的芯片之間獲得更密集互連的方法,并可實現(xiàn)更小的外形尺寸。下圖是傳統(tǒng)凸點和混合鍵合技術(shù)的結(jié)構(gòu)比較,傳統(tǒng)凸點間距是 50 微米,每平方毫米有大約 400 個連接?;旌湘I和Hybrid Bonding大約 10 微米的間距,可達(dá)到每平方毫米 10,000 個連接。

采用Hybrid Bonding?技術(shù)可以在芯片之間實現(xiàn)更多的互連,并帶來更低的電容,降低每個通道的功率。下圖是傳統(tǒng)凸點技術(shù)和混合鍵合技術(shù)的加工流程比較,混合鍵合技術(shù)需要新的制造、操作、清潔和測試方法。

從圖中我們可以看出,傳統(tǒng)凸點焊接技術(shù)兩個芯片中間是帶焊料的銅柱,將它們附著在一起進(jìn)行回流焊,然后進(jìn)行底部填充膠?;旌湘I合技術(shù)與傳統(tǒng)的凸點焊接技術(shù)不同, 混合鍵合技術(shù)沒有突出的凸點,特別制造的電介質(zhì)表面非常光滑,實際上還會有一個略微的凹陷。在室溫將兩個芯片附著在一起,再升高溫度并對它們進(jìn)行退火,銅這時會膨脹,并牢固地鍵合在一起,從而形成電氣連接?;旌湘I合技術(shù)可以將間距縮小到10 微米以下,可擴展的間距小于1微米,可獲得更高的載流能力,更緊密的銅互聯(lián)密度,并獲得比底部填充膠更好的熱性能。

HBM??

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展和需求,HBM現(xiàn)在越來越火熱。HBM(High-Bandwidth Memory )高帶寬內(nèi)存,主要針對高端顯卡GPU市場。HBM使用了3D TSV和2.5D TSV技術(shù),通過3D TSV把多塊內(nèi)存芯片堆疊在一起,并使用2.5D TSV技術(shù)把堆疊內(nèi)存芯片和GPU在Interposer上實現(xiàn)互連。下圖所示為HBM技術(shù)示意圖。

HBM既使用了3D封裝技術(shù)和2.5D封裝技術(shù),應(yīng)該歸屬于哪一類呢?有人認(rèn)為HBM屬于3D封裝技術(shù),也有人認(rèn)為屬于2.5D封裝技術(shù),其實都不確切。通過和HMC的比較,就能得出正確的結(jié)論。HMC(Hybrid Memory Cube)混合存儲立方體,和HBM結(jié)構(gòu)非常相似,HMC通過3D TSV集成技術(shù)把內(nèi)存控制器(Memory Controller)集成到DRAM堆疊封裝里。下圖所示為HMC技術(shù)示意圖。

對比HBM和HMC,我們可以看出,兩者很相似,都是將DRAM芯片堆疊并通過3D TSV互連,并且其下方都有邏輯控制芯片。兩者的不同在于:HBM通過Interposer和GPU互連,而HMC則是直接安裝在Substrate上,中間缺少了Interposer和2.5D TSV。在《基于SiP技術(shù)的微系統(tǒng)》一書中,我總結(jié)了12種當(dāng)今最主流的先進(jìn)封裝技術(shù)。下表是對這些主流先進(jìn)封裝技術(shù)橫向比較。

可以看出,現(xiàn)有的先進(jìn)封裝技術(shù)中,HBM是唯一一種具備3D+2.5D的先進(jìn)封裝技術(shù)。

如果HMC被稱為3D封裝,那么比其多了Interposer和2.5D TSV的HBM應(yīng)該被稱為什么呢?一種新的封裝命名需要呼之欲出了!按照以往的命名規(guī)則,2D封裝加上Interposer后就變成了2.5D,那么3D封裝加上Interposer自然就變成了3.5D,既合情合理,又符合了通用的命名法則。

3.5D??

什么是3.5D,最簡單的理解就是3D+2.5D,不過,既然有了全新的名稱,必然要帶有新的技術(shù)加持,這個新技術(shù)是什么呢?就是我們前文講述的混合鍵和技術(shù)Hybrid Bonding。混合鍵合技術(shù)應(yīng)用于3D TSV的直接互連,省卻了Bump,其界面互連間距可小于10um甚至1um,其互連密度則可達(dá)到每平方毫米10000~1000000個點。

這是傳統(tǒng)的凸點互連遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到的,因此,在高密度的3D互連中,凸點最終會消失,如下圖所示,這一點也是我在以前的文章中闡述過的。

目前來說,3.5D就是3D+2.5D,再加上Hybrid Bonding技術(shù)的加持。

封裝技術(shù)分類??

由于3.5D的提法已逐漸被業(yè)界所普遍接受,我因此也更新一下電子集成技術(shù)的分類法,將3.5D放到了列表中。這樣,電子集成技術(shù)就分為:2D,2D+,2.5D,3D,3.5D,4D六種,如下圖所示:

在更新的分類方法中,我并未強調(diào)Hybrid Bonding混合鍵合技術(shù),因此,3.5D最簡單的理解就是3D+2.5D。

在高密度先進(jìn)封裝的3D互連中,凸點必將消失,混合鍵合Hybrid Bonding是必然的趨勢,因此也就無需特意強調(diào)了。

在12種當(dāng)今最主流的先進(jìn)封裝技術(shù)中,只有HBM滿足3D+2.5D結(jié)構(gòu),因此,HBM可以說是第一種真正的3.5D封裝技術(shù)。

作 者 著 作

《基于SiP技術(shù)的微系統(tǒng)》內(nèi)容涵蓋“概念和技術(shù)”、“設(shè)計和仿真”、“項目和案例”三大部分,包含30章內(nèi)容,總共約110萬+字,1000+張插圖,約650頁。

關(guān)注SiP、先進(jìn)封裝、微系統(tǒng),以及產(chǎn)品小型化、低功耗、高性能等技術(shù)的讀者推薦本書。

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SiP技術(shù)專家,參與指導(dǎo)各類SiP與先進(jìn)封裝項目40多項;已出版技術(shù)著作3部:《基于SiP技術(shù)的微系統(tǒng)》PHEI 2021,《SiP System-in-Package Design and Simulation》(英文版)WILEY 2017,《SiP系統(tǒng)級封裝設(shè)計與仿真》PHEI 2012;曾在中國科學(xué)院、SIEMENS工作,參與中國載人航天“神舟”飛船及中歐合作“雙星”項目,現(xiàn)在奧肯思科技工作。公眾號:SiP與先進(jìn)封裝技術(shù)。