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從Intel 4004聊到蘋(píng)果M1:聊聊摩爾定律的續(xù)命

 長(zhǎng)慶wcqjs 2022-05-16 發(fā)布于上海
譯者的話:很多同學(xué)可能對(duì)半導(dǎo)體尖端制造工藝更感興趣,畢竟 5nm,、3nm 這些詞聽(tīng)起來(lái)就格外的一顆賽艇,。不過(guò)行業(yè)不是整天在說(shuō)“摩爾定律停滯/放緩”嗎?大體上說(shuō)的就是晶體管器件微縮的速度變慢了,,那么驅(qū)動(dòng)整個(gè)電子科技行業(yè)的底層技術(shù)也就變慢了,,做不到 12-18 個(gè)月單位面積的晶體管數(shù)量翻番。
幾年前就看到有人提出 More than Moore 還有“超越摩爾”之類(lèi)的市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)詞匯,。包括現(xiàn)在有像 Synopsys 這樣的 EDA 公司提出 SysMoore 從系統(tǒng)層面來(lái)延續(xù)摩爾定律,。其實(shí)這些都離不開(kāi)先進(jìn)封裝工藝的發(fā)展。
“封裝”“封裝”,,應(yīng)該是說(shuō)把芯片給密封,、包裝起來(lái)把?放在紙盒子里,?一般我們說(shuō),,“封裝”要達(dá)成的是對(duì)芯片的支撐和機(jī)械保護(hù),,以及把電信號(hào)從芯片上引出來(lái),。在封裝技術(shù)上做文章,也就是現(xiàn)在我們常說(shuō)的“先進(jìn)封裝”工藝,,應(yīng)該是當(dāng)代半導(dǎo)體制造技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主旋律,。
所以我預(yù)計(jì)會(huì)翻譯 4-5 篇這方面的技術(shù)文章,個(gè)人感覺(jué)都還相對(duì)通俗易懂,,且比較有科普價(jià)值的,。期望對(duì)各位半導(dǎo)體技術(shù)愛(ài)好者有幫助吧。本文是此系列文章的第一篇,,我覺(jué)得可以作為先進(jìn)封裝技術(shù)的一個(gè)概覽,,從“形式”上讓各位同學(xué)對(duì)“封裝”有個(gè)基本的概念。后面的幾篇會(huì)做進(jìn)一步的深入,。
原文標(biāo)題:Semiconductor Packaging History and Primer,,作者:Doug O'Laughlin
個(gè)人轉(zhuǎn)載的請(qǐng)隨意,,但起碼標(biāo)明原文地址和我這個(gè)譯者吧(畢竟我翻譯的文章都有濃重的個(gè)人風(fēng)味...)...

正文開(kāi)始:
為什么現(xiàn)在封裝技術(shù)很重要?
封裝(packaging)原本是半導(dǎo)體制造流程后面的一道工序,。將小片的硅造出來(lái),,然后用某種方法把它連接到什么板子上。隨著摩爾定律的發(fā)展,,工程師們認(rèn)為應(yīng)當(dāng)充分利用芯片的各個(gè)組成部分,、工序,包括封裝,,讓最終產(chǎn)品達(dá)到最佳狀態(tài),。采用更優(yōu)的封裝方式,能夠帶來(lái)很多好處,,比如說(shuō)更厚的金屬片提供了更好的導(dǎo)電性,,還有像是 I/O 問(wèn)題——也仍是半導(dǎo)體產(chǎn)品需要考慮的最重要的問(wèn)題之一。
只不過(guò)以前,,封裝企業(yè)并不像傳統(tǒng)的前道(front-end)制造工藝企業(yè)那樣受重視,。封裝供應(yīng)鏈常被稱(chēng)作“后道”(back-end),被視為成本中心,,類(lèi)似于銀行的前廳和后勤辦公室的關(guān)系,。但現(xiàn)在前道生產(chǎn)工藝的器件縮放進(jìn)度放緩,那么新的技術(shù)熱點(diǎn)也就隨之轉(zhuǎn)移,,封裝也就受到了重視,。本文將討論各種封裝工藝,讓你了解包括 2.5D,、3D 封裝等在內(nèi)的概念究竟是什么意思,。

封裝簡(jiǎn)史
下面這張圖是封裝技術(shù)一個(gè)簡(jiǎn)單的層級(jí)關(guān)系,來(lái)自于某個(gè)油管課程,。建議有時(shí)間的同學(xué)前往觀看,。這個(gè)課程展示了封裝技術(shù)從過(guò)去到現(xiàn)在的發(fā)展情況。

簡(jiǎn)單的進(jìn)化路徑 DIP > QFP > BGA > POP/SiP > WLP
顯然有挺多不同的封裝技術(shù)的,,不過(guò)我們只談?wù)勂渲泻?jiǎn)單的一些——具有一定的代表性,,然后再談?wù)劕F(xiàn)在的一些技術(shù)。下面這張圖作為高層級(jí)的一個(gè)總攬,,也相當(dāng)不錯(cuò),,雖然這張圖有些過(guò)時(shí)了,但內(nèi)容上沒(méi)什么問(wèn)題,。

在封裝技術(shù)發(fā)展初期,,陶瓷、金屬罐(metal cans)很常見(jiàn),;密封以達(dá)成最佳可靠性,。這類(lèi)方案絕大部分應(yīng)用于航天,、軍用領(lǐng)域——這些領(lǐng)域的可靠性要求非常高。不過(guò)這樣的要求對(duì)于日常民用設(shè)備而言就沒(méi)有必要了,,于是我們開(kāi)始采用塑料封裝以及 DIP(dual in-line packaging,,雙列直插式封裝)。

DIP 封裝(1964-1980s)
DIP 最早是在 20 世紀(jì) 70 年代引入的,。在表面貼裝技術(shù)出現(xiàn)以前,,DIP 在大約 10 年的時(shí)間里成為一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。DIP 采用塑料外殼,,包圍半導(dǎo)體器件,;有兩排伸出的 pin 腳——名為引線框(leadframes)——連接到 PCB 板,如下圖所示,。

內(nèi)部的芯片 die 通過(guò)焊線(bonding wire)連接到兩側(cè)的引線框,,引線框連接到 PCB 板
DIP 是于 1964 年由仙童半導(dǎo)體打造的。DIP 封裝現(xiàn)在是具備了象征意義的,,其設(shè)計(jì)方案在當(dāng)時(shí)也比較好理解,。Die 完全密封在樹(shù)脂里面,達(dá)成較高的可靠性,,且成本較低,。早期不少頗具代表性的半導(dǎo)體器件都采用這種封裝方式。Die 是通過(guò)引線連接到外部的引線框的,,也就讓這種封裝方式稱(chēng)為“引線鍵合(wire-bonding)”,,后文還將詳細(xì)介紹。
下面這顆芯片是 Intel 8008,,應(yīng)該是最早的一批現(xiàn)代微處理器了,。注意這顆芯片就采用了具代表性的 DIP 封裝。類(lèi)似于這種看起來(lái)像蜘蛛形態(tài)的半導(dǎo)體器件,,那就表明是 DIP 封裝了,。

Intel 最早的微處理器,8008 家族
這樣的金屬片會(huì)焊到 PCB 板上,,令其與其他電子器件和系統(tǒng)其余部分連接,。下面這張圖展示的,,就是焊到 PCB 板上的樣子,。

PCB 本身通常由銅和非導(dǎo)電材料層積而成。PCB 能夠從不同位置導(dǎo)通電信號(hào),,實(shí)現(xiàn) PCB 板上的器件互聯(lián)互通,。PCB 板上不同電路器件之間會(huì)有很精細(xì)的線路連接,這些線路嵌入在主板上,,扮演著導(dǎo)管的作用,。上圖的這個(gè)模塊自然是封裝過(guò)后的器件,,不過(guò)其實(shí)從系統(tǒng)層級(jí)來(lái)看,PCB 板也可認(rèn)為是最高層級(jí)的封裝形式,。
DIP 的傳奇故事當(dāng)然不止于此,,不過(guò)接下來(lái)我們就來(lái)談?wù)勏乱粋€(gè)時(shí)代的封裝技術(shù):表面貼裝(Surface Mount Packaging)吧。

表面貼裝(1980s-1990s)
表面貼裝簡(jiǎn)稱(chēng) SMT,。顧名思義,,表面貼裝是直接貼裝到 PCB 的表面上。這樣一來(lái) PCB 板能容納更多組件,,單基板實(shí)現(xiàn)了更低的成本,。下面這張圖就是典型的表面貼裝應(yīng)用。

這種封裝方案有很多不同的變體,。在半導(dǎo)體創(chuàng)新發(fā)展的全盛時(shí)期,,這樣的封裝技術(shù)在較長(zhǎng)時(shí)間里扮演著重要角色。這里需要注意的是,,原本 DIP 上的兩排引線框,,換成了 4 邊都有了引線。值得一提的是,,封裝技術(shù)的發(fā)展,,在于占據(jù)越來(lái)越小的空間,同時(shí)增大連接帶寬,。每次技術(shù)演進(jìn),,都是期望在這方面做文章。
這項(xiàng)工藝曾經(jīng)是手工完成的,,當(dāng)然現(xiàn)在已經(jīng)高度自動(dòng)化了,。除此之外,這項(xiàng)技術(shù)其實(shí)也給 PCB 帶來(lái)了不少問(wèn)題,,比如說(shuō) popcorning,。Popcorning 是指塑料封裝內(nèi)部存在的濕氣,在焊接過(guò)程中被加熱,,則導(dǎo)致在快速加熱,、冷卻的過(guò)程里,PCB 產(chǎn)生問(wèn)題,。此處值得一提的是,,每次封裝工藝進(jìn)步,都意味著復(fù)雜度在增加,、出錯(cuò)率也在增加,。

BGA 封裝(1990s-2000s)
隨著半導(dǎo)體性能持續(xù)進(jìn)化,封裝技術(shù)的要求也越來(lái)越高,。在此期間 QFN(quad-flat no-leads,,方形扁平無(wú)引腳封裝)和其他表面貼裝技術(shù)其實(shí)也在持續(xù)發(fā)展,,不過(guò)我想介紹一下隨后的封裝技術(shù)——這些封裝設(shè)計(jì)也成為后續(xù)技術(shù)發(fā)展的開(kāi)端。首先是 BGA 封裝(Ball Grid Array packaging,,球柵陣列封裝),。

這些球或者說(shuō)凸起,名為焊接凸點(diǎn)/焊球
這就是 BGA 球柵陣列的樣子,,可以直接把一片硅和 PCB 連起來(lái),,或者是連接到 PCB 板更下層的基板上,而不像之前的表面貼裝技術(shù)那樣只能局限在四邊,。

所以 BGA 封裝本質(zhì)上也屬于封裝技術(shù)發(fā)展的必然,,即占據(jù)更小的空間、達(dá)成更多的連接點(diǎn),。BGA 封裝是把一個(gè)封裝模塊直接連接到另一個(gè)模塊(譯者注:也就是 PCB)上,,而不再是通過(guò)精細(xì)的連線。這樣一來(lái)能夠達(dá)成更高的密度,、更好的 I/O 表現(xiàn),,與此同時(shí)也增加了復(fù)雜度——BGA 封裝是否正常工作是需要仔細(xì)檢查的。此前 BGA 封裝需要從視覺(jué)上去觀察和測(cè)試?,F(xiàn)在我們已經(jīng)看不到封裝的樣子了,,需要藉由 X 光等更復(fù)雜的技術(shù)來(lái)進(jìn)行檢查。
像焊接凸點(diǎn)這樣的方案,,目前仍然是鍵合的一個(gè)主要技術(shù),,是模塊之間互連最常見(jiàn)的類(lèi)型。

現(xiàn)代封裝(2000s-2010s)
接下來(lái)就該談?wù)劗?dāng)代的封裝技術(shù)了,。其實(shí)前文談到的不少方案今天依然在應(yīng)用,,只不過(guò)當(dāng)代涌現(xiàn)出了更多的封裝類(lèi)型——其中的一些技術(shù)將來(lái)也會(huì)變得更普及。接下來(lái)我就談?wù)勥@些技術(shù),。需要指出的是,,其中的一些技術(shù)其實(shí)在很多年以前就已經(jīng)發(fā)明出來(lái)了,但受限于成本,,此前一直沒(méi)有廣泛應(yīng)用,。
倒裝芯片(Flip Chip)
這應(yīng)該是現(xiàn)在你們經(jīng)常看到或者聽(tīng)到的一種常見(jiàn)的封裝技術(shù),。很高興我能在這兒給倒裝芯片下個(gè)定義,,因?yàn)槲疫€從來(lái)沒(méi)有在別的地方看到對(duì)這項(xiàng)技術(shù)滿意的解釋。芯片倒裝是由 IBM 發(fā)明的,,經(jīng)常被簡(jiǎn)寫(xiě)成 C4,。實(shí)際上芯片倒裝并不是一種獨(dú)立的封裝形式,,它描述的是某一種封裝形態(tài),。它也需要搭配 die 上的焊接凸點(diǎn),。互連不是通過(guò)引線鍵合達(dá)成的,,而且在封裝的時(shí)候,,芯片是翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái),,面朝其他芯片,;兩者中間當(dāng)然需要連接介質(zhì);所以被稱(chēng)作“倒裝”芯片,。
這句話可能還是很費(fèi)解,,所以我打算舉個(gè)例子——來(lái)自維基百科,,我覺(jué)得是比較好理解的。我們來(lái)談?wù)勥@其中的步驟,。
1.首先 IC 從晶圓上造出來(lái),;
2.芯片表面形成金屬層的 pad;(譯者注:原句為 Pads are metalized on the surface of the chip)

3.Pad 上沉積出焊接點(diǎn),;

4.把芯片從晶圓上切下來(lái),;
5.把芯片倒過(guò)來(lái),如此一來(lái)這些焊接球就面向了電路,;

6.焊接球再度融化,;

7.然后再填充絕緣的膠粘劑

(譯者注:個(gè)人感覺(jué)這個(gè)解釋仍然不夠完備,尤其是沒(méi)有解釋為什么要這么做,,以及到底什么樣的芯片用了倒裝方案,。實(shí)際上我們現(xiàn)在所見(jiàn)的很多基于尖端工藝的芯片,比如 Intel 酷睿處理器基本都是芯片倒裝,。另外,,某些企業(yè)也將芯片倒裝稱(chēng)作“先進(jìn)封裝工藝”...這部分將在未來(lái)翻譯的文章里做更詳細(xì)的解釋...)
引線鍵合
注意倒裝芯片和引線鍵合(wirebond)是不同的。還記得上面的 DIP 封裝嗎,?那就是基于引線鍵合,,die 藉由引線連接到另一片金屬上,最終焊接到 PCB 板,。引線鍵合已經(jīng)不是某一種特定的技術(shù)方案了,,而是一類(lèi)技術(shù)的統(tǒng)稱(chēng),可以衍生出各種不同形態(tài)的封裝方案,。我認(rèn)為,,這是描述倒裝芯片最好的方法。引線鍵合相對(duì)于倒裝芯片而言,,是某種前置技術(shù)(譯者注:原句為 Wirebond is a precursor to filp-chip to be clear,;這句話可能也是著重在表達(dá)這兩個(gè)詞是不同層級(jí)的描述方式)。
這部分了解到這個(gè)程度也就可以了。實(shí)際上每種形式的封裝方案都有不同的變體,。順帶一提,,KLIC(庫(kù)力索法半導(dǎo)體)是這一領(lǐng)域的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者,談到舊封裝技術(shù),,就應(yīng)該想到這家公司,。

先進(jìn)封裝(2010s 至今)
進(jìn)入“先進(jìn)封裝”半導(dǎo)體時(shí)代還是相當(dāng)漫長(zhǎng),我期望談?wù)勀承└邔蛹?jí)的概念,。這里面其實(shí)有多個(gè)層級(jí)的“封裝”要談,。前面我們?cè)谡劦慕^大部分封裝,是專(zhuān)注在芯片到 PCB 的封裝,;而先進(jìn)封裝要從手機(jī)開(kāi)始說(shuō),。
從各個(gè)層面來(lái)看,手機(jī)都可以說(shuō)是先進(jìn)封裝誕生的巨大前提,。這其實(shí)也很合理,,畢竟手機(jī)是以那么小的體積裝下那么多的晶體管和硅相關(guān)技術(shù),比筆記本和電腦密集多了,。而且一切都需要被動(dòng)散熱,,還必須盡可能地薄。每年蘋(píng)果和三星都會(huì)發(fā)布性能更強(qiáng),、但外形更薄的手機(jī),,這也就驅(qū)動(dòng)了封裝技術(shù)的發(fā)展。我下面要談的很多概念都是從智能手機(jī)封裝開(kāi)始的,,并且最終將這樣的技術(shù)在半導(dǎo)體行業(yè)的更多應(yīng)用上普及開(kāi),。
芯片級(jí)封裝(Chip Scale Packaging,CSP)
芯片級(jí)封裝描述的范圍其實(shí)比較廣,,原本的意思是達(dá)到芯片尺寸的封裝,。其確切定義應(yīng)該是描繪某一個(gè)封裝模塊,其尺寸不大于內(nèi)部 die 尺寸的 1.2 倍,,必須為單 die 且可連接,。前面其實(shí)已經(jīng)引入過(guò) CSP 的概念了,就是在倒裝芯片的部分,。不過(guò) CSP 還是藉由智能手機(jī),,將技術(shù)帶到了新的高度。

本世紀(jì) 10 年代,,CSP 幾乎成為一種標(biāo)準(zhǔn),;上面這張圖的一切封裝尺寸,都大約是芯片 die 尺寸的 1.2 倍左右,,極盡所能地節(jié)約占板面積,。CSP 也有多種不同類(lèi)型,包括倒裝芯片、right substrate(,?這是啥,,歡迎評(píng)論補(bǔ)充)等其他技術(shù)。不過(guò)其實(shí)知道其中細(xì)節(jié)對(duì)你們應(yīng)該也不會(huì)有多大幫助,。
晶圓級(jí)封裝(Wafer-level packaging,,WLP)
這里其實(shí)還有一種更小的方案,,屬于“終極版”芯片級(jí)封裝尺寸,,或者可以叫晶圓級(jí)封裝?;旧暇褪菍⒎庋b直接放到 die 身上,;在此,封裝就是 die 本身,。它比最高層級(jí)的 I/O 還要薄,,顯然也非常難于制造。先進(jìn)封裝解決方案當(dāng)前仍在 CSP 級(jí)別,,但未來(lái)將完全轉(zhuǎn)向晶圓級(jí),。
這樣的進(jìn)化方向很有趣,封裝某種程度上是被硅包含在內(nèi)了,。芯片即為封裝,,封裝即為芯片。這樣的方案比在芯片上焊?jìng)€(gè)錫球就貴多了,,那為什么還要用這樣的方案呢,?為什么我們還在追求高級(jí)封裝呢?(譯者注:個(gè)人感覺(jué),,這番解釋還是有點(diǎn)問(wèn)題)

先進(jìn)封裝:未來(lái)
這也是我之前一直在說(shuō)的一個(gè)趨勢(shì),。異構(gòu)計(jì)算并不僅是架構(gòu)專(zhuān)用化,還在于怎么將這些專(zhuān)用芯片放到一起,。先進(jìn)封裝就是其中非常關(guān)鍵的技術(shù),。
我們來(lái)看看蘋(píng)果 M1 芯片,典型的異構(gòu)計(jì)算芯片,,而且還配了統(tǒng)一內(nèi)存架構(gòu),。M1 出來(lái)的時(shí)候,我并沒(méi)有感覺(jué)到多驚訝,,它只是異構(gòu)計(jì)算的典型代表,。M1 的確表明了未來(lái)的方向,很多芯片設(shè)計(jì)也將很快追隨蘋(píng)果的方案,。SoC(System on Chip)本身并不能說(shuō)是異構(gòu),,但采用定制化的封裝方案,把內(nèi)存放到 SoC 旁邊就是異構(gòu)了。(譯者注:對(duì)這個(gè)說(shuō)法深表不贊同)

這張圖雖然是宣傳圖,,但注意 PCB 上沒(méi)有出現(xiàn)引線,,應(yīng)該是因?yàn)?2.5D 集成的關(guān)系(譯者注:個(gè)人認(rèn)為,這個(gè)說(shuō)法應(yīng)該也不對(duì),;蘋(píng)果的這種統(tǒng)一內(nèi)存充其量就是從基板走線的 2D 封裝)
先進(jìn)封裝方案中比較具有代表性的另一個(gè)產(chǎn)品是英偉達(dá) A100,,注意 PCB 板上同樣沒(méi)有出現(xiàn)引線。

下面這段話來(lái)自英偉達(dá)的白皮書(shū):
A100 并沒(méi)有像傳統(tǒng)方案那樣,,在 GPU 芯片周?chē)派虾脦讉€(gè)獨(dú)立的內(nèi)存芯片(如 GDDR5 GPU 顯卡設(shè)計(jì)),,而是采用 HBM2 內(nèi)存——這種內(nèi)存本身在垂直方向就疊了多個(gè)內(nèi)存 die。這些存儲(chǔ) die 通過(guò)一些很微小的“線”連接起來(lái)(基于 TSV 硅通孔和 microbump 微凸點(diǎn)),。1 個(gè) 8Gb HBM2 die 包含超過(guò) 5000 個(gè) TSV 孔,。然后再用一層有源(passive)硅中介(silicon interposer),把內(nèi)存堆棧和 GPU die 連起來(lái),。HBM2 堆棧,、GPU die、硅中介一起,,裝到一個(gè) 55mm x 55mm BGA 封裝中,。圖 9 展示了 GP100 加上兩個(gè) HBM2 堆棧;圖 10 則展示了 P100 的 GPU 和內(nèi)存微觀圖片,。
我們把這段話變成人話,,首先要談?wù)劇案呒?jí)封裝”的兩個(gè)類(lèi)別:“2.5D 封裝”和“3D 封裝”。
2.5D 封裝
2.5D 本質(zhì)上屬于倒裝芯片的升級(jí)版本,,不過(guò)不是將 die 堆在 PCB 板上,,而是把多個(gè) die 放在一層叫做“硅中介(silicon interposer)”的東西上面。下面這張圖應(yīng)當(dāng)很好地解釋了這個(gè)方案,。

2.5D 就類(lèi)似于開(kāi)了個(gè)地下通道,,通到鄰居家里;實(shí)際上這個(gè)“通道”是藉由凸點(diǎn)(bump)或者 TSV 硅通孔深入到硅中介,,然后通過(guò)硅中介把你和你的鄰居連起來(lái),。這種方案在速度上當(dāng)然不會(huì)比直接在芯片內(nèi)部通信更快,但其輸出表現(xiàn)取決于封裝性能,,兩顆 die 之間的距離縮短,、連接點(diǎn)增多。其價(jià)值還是比較大的,。其中一個(gè)好處在于可以用“known good die”,,或者說(shuō)把更小片的 die 封裝到一起,形成一個(gè)更大的封裝,。之所以這么做會(huì)比 1 整片 die 的方案要更優(yōu),,是因?yàn)樗屩圃熳兊酶菀琢?,畢竟只需要造小尺寸?die,。
這些小片的 die,常被稱(chēng)為 chiplet(譯者注:國(guó)內(nèi)有譯作“芯?!钡模銈儜?yīng)該也常聽(tīng)到,。如此一來(lái),把較小功能模塊的 chiplet 組合到一起,,在一塊硅基板上對(duì)這些 chiplet 進(jìn)行連接,,就構(gòu)成了 2.5D 封裝的芯片,。
Chiplet 和 2.5D 封裝可能還會(huì)應(yīng)用較長(zhǎng)的一段時(shí)間,。它在各方面都有優(yōu)勢(shì),,比如質(zhì)量、相比 3D 封裝工藝更簡(jiǎn)單,,而且成本也更低,。另外,這種技術(shù)也具備了彈性,,比如復(fù)用新的 chiplet,,通過(guò)替換 chiplet 的方式把全新的芯片帶到相同的封裝之上,。AMD Zen 3 就是一個(gè)例子,封裝本身是類(lèi)似的,,chiplet 可做擴(kuò)展。但還有個(gè)終極版本,,3D 封裝。
3D 封裝
3D 封裝乃是封裝的超級(jí)形態(tài)(ultimate ending),。前面談到的那些封裝,其實(shí)都是把房子建在地上,、一層樓高,然后通過(guò)地下室相連,;而 3D 封裝則是建高樓,按照功能需要做定制化,。這就是 3D 封裝,封裝都建基于 die 本身,。這是最快,且具備了能效比的方法,;而且用這種方法能夠打造規(guī)模更大,、更復(fù)雜的結(jié)構(gòu),,大幅“擴(kuò)展”摩爾定律,。未來(lái)或許要實(shí)現(xiàn)器件尺寸微縮會(huì)有很大的難度,,但有了 3D 封裝,就能延續(xù)摩爾定律,。
其實(shí)整個(gè)半導(dǎo)體市場(chǎng),已經(jīng)有了 3D 堆疊的示范:存儲(chǔ)器,。3D 結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)就屬于未來(lái)的寫(xiě)照,。NAND 發(fā)展為 3D 結(jié)構(gòu)的原因就是器件尺寸微縮難度變得很大,。把存儲(chǔ)介質(zhì)想象成大型的 3D 高樓,,每一層都通過(guò)電梯相連——也就是 TSV 硅通孔,。

這就是未來(lái)的樣子,,甚至有可能把 CPU、GPU 相互疊起來(lái),,或者把存儲(chǔ)堆棧放到 CPU 上面,。這是最終的發(fā)展方向,而且我們很快應(yīng)當(dāng)就能達(dá)成這個(gè)目標(biāo),。我們應(yīng)該在未來(lái) 5 年內(nèi)就會(huì)看到各種 3D 封裝芯片的涌現(xiàn),。

2.5D/3D 封裝解決方案一覽
我不打算深入去談 3D/2.5D 封裝,還是展示一些已經(jīng)在用的封裝工藝會(huì)比較好,。我想專(zhuān)注在 fab 廠的工藝上,,這些也是驅(qū)動(dòng) 3D/2.5D 集成往前發(fā)展的一些技術(shù),。
臺(tái)積電 CoWoS
這應(yīng)該是 2.5D 集成工藝的主力技術(shù),賽靈思是采用該技術(shù)的先驅(qū),。

這項(xiàng)工藝主要是把所有的邏輯 die 放到一片硅中介上,,然后再放到封裝基板(package substrate)上。其上所有組成部分都通過(guò) microbump(微凸點(diǎn))或者焊球來(lái)連接,。這是比較典型的 2.5D 結(jié)構(gòu),。
(譯者注:這里其實(shí)如果能夠列舉硅橋方案會(huì)更好。因?yàn)椴⒎撬械?2.5D 封裝都需要藉由硅中介來(lái)實(shí)現(xiàn),。不過(guò)未來(lái)高級(jí)封裝技術(shù)的系列文章還是會(huì)仔細(xì)去談這個(gè)部分的)
臺(tái)積電 SoIC
這是臺(tái)積電的 3D 封裝平臺(tái),屬于比較新的技術(shù),。

注意下圖中的 bump 密度和鍵合間距(bonding pitch),,SoIC 的這兩個(gè)參數(shù)與倒裝芯片/2.5D 封裝相去甚遠(yuǎn),基于密度和尺寸都屬于前道工藝,。

下面這張圖則對(duì)其技術(shù)做了對(duì)比,,SoIC 的確實(shí)現(xiàn)了芯片之間的堆疊,而不單是通過(guò)硅中介來(lái)實(shí)現(xiàn) 2.5D 集成,。
三星 XCube
三星這些年也成為很重要的 foundry 廠,,這則視頻是其 XCube 技術(shù)的展示。
這則視頻呈現(xiàn)的信息其實(shí)不多,,不過(guò)要指出的是英偉達(dá) A100 就是基于三星的這項(xiàng)工藝,,這應(yīng)該也是英偉達(dá)最近的一些芯片采用的技術(shù)方案。另外值得一提的是,,三星可能是在 TSV 硅通孔技術(shù)上經(jīng)驗(yàn)最多的企業(yè),,畢竟他們?cè)?3D 存儲(chǔ)平臺(tái)上積累頗多。
Intel Foveros
最后要談的是 Intel 的 Foveros 3D 封裝,。未來(lái)我們應(yīng)該還會(huì)看到更多這項(xiàng)技術(shù)的身影,尤其是 Intel 未來(lái)的 7nm(譯者注:已更名為 Intel 4)及其 CPU 混合架構(gòu),。Intel 也在 Architecture Day 上談到了這會(huì)是他們未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn),。
(譯者注:這里之所以提到混合架構(gòu),,也就是一般人所說(shuō)的大小核設(shè)計(jì),,是因?yàn)?Intel 最早的大小核芯片 Lakefield 其實(shí)就用到了 3D 堆疊,,具體可參見(jiàn)這篇文章,;不過(guò)目前混合架構(gòu)的 Alder Lake 并沒(méi)有采用這項(xiàng)封裝技術(shù))
比較有趣的是,其實(shí)三星,、臺(tái)積電,、Intel 在 3D 工藝方面的差別并不是特別大。(譯者注:對(duì)這一說(shuō)法持嚴(yán)重懷疑態(tài)度)

先進(jìn)封裝的贏家
先進(jìn)封裝,,在流程中實(shí)際上屬于“中道(mid-end)”技術(shù)(譯者注:mid-end 是相對(duì)于 frond-end 和 back-end 而言的,,如下圖所示)。技術(shù)本身是在發(fā)展中的,。

以前,,封裝預(yù)算是被排除在 WFE(Wafer Fab Equipment)預(yù)算之外的;但從 2020 年開(kāi)始,,也開(kāi)始把晶圓級(jí)封裝包含在內(nèi),。這本身就是風(fēng)向變化的一個(gè)信號(hào),,以及中道工藝變得重要的原因。中道的另一個(gè)定義是 BOEL(Back End of Line),。要了解封裝相關(guān)企業(yè)信息,,可以參見(jiàn)這篇文章,。

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