從2D到3D：半導(dǎo)體封裝工藝與DTCO

前言

在馬上要過(guò)去的2023年，全球的通貨膨脹伴隨消費(fèi)需求的下滑，2023年全球晶圓代工產(chǎn)業(yè)預(yù)估將整體營(yíng)收同比下滑12.5%。但是在2024年，隨著多家機(jī)構(gòu)給出半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將觸底反彈的預(yù)測(cè)，整個(gè)半導(dǎo)體晶圓代工市場(chǎng)將迎來(lái)成長(zhǎng)，預(yù)估明年晶圓代工產(chǎn)業(yè)營(yíng)收將有6.4%的增幅。而長(zhǎng)期來(lái)看，半導(dǎo)體晶圓代工領(lǐng)域也是會(huì)總體保持增長(zhǎng)。未來(lái)，芯片將越來(lái)越變得無(wú)處不在，價(jià)值越來(lái)越高，重要性也越來(lái)越高，在社會(huì)中逐漸變成引導(dǎo)社會(huì)變革的核心力量之一。

就此臺(tái)積電中國(guó)區(qū)總經(jīng)理羅鎮(zhèn)球在ICCAD2023就表示：“整個(gè)半導(dǎo)體在2000年的時(shí)候全球產(chǎn)值做到了2000億美金左右，2010年到了3000億，今年肯定仍舊超過(guò)4000億。我剛剛跟各位說(shuō)明了半導(dǎo)體應(yīng)用正在逐步鋪開(kāi)，現(xiàn)有半導(dǎo)體應(yīng)用產(chǎn)品使用的半導(dǎo)體數(shù)量逐步在增加，我們可以非常樂(lè)觀地預(yù)估，在2030年之前球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值肯定可以超過(guò)1萬(wàn)億美金，這是一個(gè)非常有希望的行業(yè)?！?/span>

然而，增長(zhǎng)不會(huì)天上掉下來(lái)的餡餅，在增長(zhǎng)的背后是無(wú)數(shù)科研人員的付出和企業(yè)中巨大的科研資金投入。以晶圓代工行業(yè)的龍頭老大，臺(tái)積電為例，臺(tái)積電每年花300億美金做資本支出，同時(shí)有超過(guò)8000位研發(fā)人員，在整個(gè)2023年臺(tái)積電在研發(fā)領(lǐng)域就花費(fèi)了超過(guò)55億美元。

如此巨大的科研投資，臺(tái)積電的研究力量主要專(zhuān)注于兩個(gè)方向，一是2D的平面式微縮推進(jìn)到3D的整合；二是提升芯片的高能效表現(xiàn)。

我們先來(lái)談?wù)勈裁词?/span>“2D的平面式微縮推進(jìn)到3D的整合”。當(dāng)各位稍微了解一些前者，對(duì)于后者的疑問(wèn)自然會(huì)迎刃而解。

1959年，MOSFET被發(fā)明，1963年CMOS 被發(fā)明，從此更高的能效和更好的散熱成了芯片設(shè)計(jì)，這門(mén)“新學(xué)科”永恒的話題。所謂微縮，顧名思義，就是晶體管尺寸的逐漸縮小。根據(jù)Dennard于1974年對(duì)CMOS縮放(CMOS scaling)原理進(jìn)行的總結(jié)，結(jié)合摩爾定律為微電子行業(yè)提供了科學(xué)的縮放(scaling)方向。Dennard 縮放原理指出：當(dāng)晶體管尺寸縮小半時(shí),晶體管的性能(如速度、功耗等)將會(huì)提升約一倍,同時(shí)保持電壓不變。這意味著,通過(guò)不斷縮小晶體管的尺寸，我們可以在同樣的芯片面積內(nèi)集成更多的晶體管從而提升芯片的性能。

而隨著晶體管尺寸的不斷縮小，其也帶來(lái)了一些難題，一是控制精度和機(jī)械加工精度要達(dá)到納米級(jí)別，目前隨著先進(jìn)光刻機(jī)的應(yīng)用，晶體管的尺寸縮小已經(jīng)逐漸達(dá)到瓶頸，而這種瓶頸還沒(méi)有看到能完美突破方向；第二個(gè)難題則是芯片散熱困難，線路密集會(huì)使芯片溫度升高，會(huì)使微型器件失去正常的功能。而為了解決這些問(wèn)題，芯片開(kāi)始從2D到3D發(fā)展。

首先，我們先要了解一下，什么是芯片的“封裝”。芯片從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)再到消費(fèi)者手中是個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，設(shè)計(jì)公司做完邏輯和物理設(shè)計(jì)，將最終設(shè)計(jì)結(jié)果交給芯片代工廠。代工廠經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)復(fù)雜的流程，最終會(huì)在一塊大的晶圓上做出許許多多的小芯片。而這一個(gè)個(gè)的小芯片，則被稱(chēng)為“die”。為什么要叫這么一個(gè)不吉利的名字？有一種說(shuō)法是說(shuō)，早期芯片生產(chǎn)工藝水平不足，切割出的芯片良品率很低，經(jīng)常就“die”了，因此，工程師們才給它取了這么一個(gè)自嘲的名字。而從這個(gè)“小道消息”中，各位讀者應(yīng)該能意識(shí)到，die非常非常脆弱，因此不能直接使用，需要再給它加上一層保護(hù)殼，而這個(gè)過(guò)程，就叫做“封裝”。簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)，封裝技術(shù)需要將die固定在基板（substrate）上，然后將die上的引腳連接到芯片外殼的引腳上。

最基礎(chǔ)的封裝工藝即為：引線鍵合（wire-bonding）封裝，其整體上十分簡(jiǎn)單，就是把die正面朝上固定到基板之上，再用導(dǎo)線，將die的引腳和基板連接（稱(chēng)之為‘鍵合’），最后把整個(gè)芯片封裝起來(lái)，密封用的材料有塑料，陶瓷等。這種封裝技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低；缺點(diǎn)是封裝完的芯片尺寸比die的尺寸大許多，且芯片管腳數(shù)受限。

引線鍵合（wire-bonding）封裝

之后，隨著技術(shù)的進(jìn)步，又出現(xiàn)了“倒裝”，即將die的正面朝下，提前做好焊點(diǎn)的技術(shù)，倒裝的應(yīng)用使得封裝尺寸和芯片接近，并且有更多的引腳，但是隨著芯片功能越來(lái)越多，I/O數(shù)量急劇增加，傳統(tǒng)的封裝已經(jīng)難以滿(mǎn)足要求。后來(lái)?yè)?jù)此還衍生出了Fan-Out WLP（Wafer Level Packages），也叫FOWLP技術(shù)，但是文章篇幅有限，有興趣的讀者可以自行了解。

上文中所言都是單獨(dú)die的封裝，一顆完整的現(xiàn)代芯片，單個(gè)die是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要將多個(gè)die封裝在一起，而這之中的封裝方式便是2D，2.5D，3D封裝。

2D封裝技術(shù)

最簡(jiǎn)單的辦法，便是最簡(jiǎn)單的“2D封裝”，即：將多顆die正面朝下，焊接到基板上，die與die之間的互連就靠基板上的走線。這種辦法的缺點(diǎn)是基板上的布線密度低，因此die與die之間的互連受限。而為了解決布線密度的問(wèn)題，芯片封裝來(lái)到了2.5D階段。

2.5D封裝技術(shù)

2.5D封裝之中的代表就是臺(tái)積電推出的CoWoS技術(shù)。臺(tái)積電為了解決die和die之間的布線密度問(wèn)題，在die和基板之間加入了一層“硅中介層”。Die和die之間并不直接連接，而是與中介層連接，也就是說(shuō)硅中介層充當(dāng)了die-die互連和die-substrate互連角色。由于中介層的布線可以直接使用半導(dǎo)體工藝制造，因此其布線密度得以大幅提升。這種技術(shù)的缺點(diǎn)也是十分明顯，由于中介層也是使用半導(dǎo)體工藝制造，其成本很難下降，其面積也嚴(yán)重受到半導(dǎo)體工藝的限制，很難做大。

2.5D封裝

隨后，為了降低這成本不低的中介層面積，英特爾發(fā)明了EMIB，將die-die的互連用“硅橋（Si Bridge）”實(shí)現(xiàn)，且硅橋嵌入在基板內(nèi)部，die-substarte的連接通過(guò)傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)。這種做法可以大大降低硅中介層的面積，減少成本，減輕多die封裝的限制。

英特爾EMIB封裝

從上文中的描述中各位讀者也許可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是2D封裝還是2.5D封裝，所有的die都是在同一平面之內(nèi)，所以，這也就注定了要想用更多的die，就要更大的封裝面積，這對(duì)于需要小型化的芯片來(lái)說(shuō)無(wú)疑是背道而馳，注定了一顆芯片中不能有太多die。那怎么辦呢？工程師們給出了他們的解決方案：把die像大樓一樣，壘起來(lái)！

從2D到3D，這就是一個(gè)很大的進(jìn)步。2D到3D，包含晶體管的架構(gòu)，從原來(lái)平坦式的晶體管，變成已經(jīng)現(xiàn)在立體式晶體管。除了在芯片上的晶體管開(kāi)始變成3D之外，封裝部分也把它變成了3D。

3D封裝技術(shù)

在3D封裝中，工程師們通過(guò)垂直堆疊芯片,用更短的互連和高帶寬連接起來(lái)，進(jìn)一步彌補(bǔ)了二維封裝設(shè)計(jì)中的缺陷。在傳統(tǒng)的2D封裝中，往往需要大量遠(yuǎn)距離連線，電路中控制電容、電阻的充放電造成的信號(hào)延遲，即RC延時(shí)難以控制。為了提高信號(hào)傳輸速度，必須降低RC延遲，那么用3D封裝的短程垂直互連來(lái)替代2D封裝的長(zhǎng)程互連是封裝工藝技術(shù)向更高階發(fā)展的必然趨勢(shì)。

而實(shí)現(xiàn)在3D封裝的關(guān)鍵技術(shù)就是TSV硅通孔技術(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)講，TSV技術(shù)通過(guò)在芯片與芯片之間、晶圓和晶圓之間制作垂直導(dǎo)通，通過(guò)導(dǎo)電物質(zhì)的填充實(shí)現(xiàn)硅通孔的垂直電氣互聯(lián)，它是目前唯一能實(shí)現(xiàn)垂直電互聯(lián)的技術(shù)。這種技術(shù)看上去十分完美，但是難度太高，成本太大。試想一下，在又薄又脆弱的玻璃片上打很多通孔，再把這些經(jīng)過(guò)處理之后更加脆弱的芯片壘成“摩天大樓”，聽(tīng)著就十分困難。因此，TSV技術(shù)在1958年被威廉·肖特基(William Shockley)第一次申請(qǐng)專(zhuān)利之后，直到40多年后的21世紀(jì)才逐漸走向商用，2000 年，日本分別率先研發(fā)出第一款三層堆疊的圖像傳感器和三層堆疊的存儲(chǔ)器件。2005 年，10 層堆疊的存儲(chǔ)芯片被研制出來(lái)。2007 年集成 TSV 的 CIS 芯片由 Toshiba 公司量產(chǎn)商用，同年 ST Microelectronics 和 Toshiba 一起推出 8 層堆疊的 NAND 閃存芯片。2013 年第一款 HBM 存儲(chǔ)芯片由韓國(guó) Hynix 推出。2015 年，第一款集成 HBM 的 GPU 由 AMD 推出。

目前，所有的3D封裝技術(shù)都是基于TSV技術(shù)之上，隨著市場(chǎng)對(duì)于芯片算力要求的不斷提高，和摩爾定律逐漸難以“遵守”的壓力各大廠商紛紛推出自己的技術(shù)，比較有代表性的是臺(tái)積電的SoIC技術(shù)和英特爾的Foveros技術(shù)。

1、臺(tái)積電 SoIC技術(shù)

SoIC（系統(tǒng)整合芯片）是一種基于臺(tái)積電的CoWoS（Chip on wafer on Substrate）與多晶圓堆疊（WoW）封裝技術(shù)開(kāi)發(fā)的新一代創(chuàng)新封裝技術(shù)。其采用TSV技術(shù)，可以達(dá)到無(wú)凸起的鍵合結(jié)構(gòu)，它是業(yè)界第一個(gè)高密度3D小芯片堆疊技術(shù)，可將不同尺寸、功能、制程節(jié)點(diǎn)的芯粒異質(zhì)整合。

SoIC技術(shù) 的主要特點(diǎn)是將有源和無(wú)源芯片集成到新的集成 SoC 系統(tǒng)中，該系統(tǒng)在電氣上與本機(jī) SoC 相同，以實(shí)現(xiàn)更好的外形尺寸和性能。這意味著 SoIC 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高效的芯片堆疊，從而提高了系統(tǒng)的性能和集成度。

2、英特爾 Foveros技術(shù)

Foveros 于 2019 年Intel首次推出，是一種先進(jìn)的 3D 面對(duì)面芯片堆疊封裝工藝技術(shù)。其在封裝基底之上安放一個(gè)底層芯片，起到主動(dòng)中介層的作用。在中介層里有大量的TSV 3D硅穿孔，負(fù)責(zé)聯(lián)通上下的凸塊，讓上層芯片和模塊與系統(tǒng)其他部分通信。

在Foveros技術(shù)中，一個(gè)基本的邏輯芯片位于底部，其頂部可以放置其他有源組件，如另一個(gè)邏輯芯片、存儲(chǔ)器、FPGA，甚至模擬/射頻芯片。這種技術(shù)使得多個(gè)芯片可以垂直堆疊，形成一個(gè)單一的、高度集成的系統(tǒng)。

Foveros的主要特點(diǎn)是通過(guò)極細(xì)間距的36微米微凸塊（很可能是銅柱）進(jìn)行面對(duì)面(F2F)芯片對(duì)芯片鍵合。這一特點(diǎn)使得Foveros技術(shù)在封裝領(lǐng)域具有顯著的優(yōu)勢(shì)。F2F的流程相對(duì)簡(jiǎn)單。對(duì)底部和頂部芯片進(jìn)行凸塊處理，然后進(jìn)行背面研磨，最后進(jìn)行分割。這種流程使得Foveros技術(shù)的生產(chǎn)效率較高，并且能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的芯片對(duì)芯片鍵合。同時(shí)，F2F具有互連密度擴(kuò)展和較低的電線寄生效應(yīng)的優(yōu)勢(shì)。這意味著使用Foveros技術(shù)可以大大提高芯片之間的連接密度，同時(shí)減少電線的寄生效應(yīng)，從而提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。這對(duì)于高性能的應(yīng)用程序尤為重要。

越發(fā)重要的DTCO

芯片制造從最早的2D封裝到現(xiàn)在的2.5D和3D封裝，整體向著更強(qiáng)的性能和更低的功耗發(fā)展，總體上整個(gè)產(chǎn)業(yè)都向著臺(tái)積電所努力的兩個(gè)方向發(fā)展，即：2D的平面式微縮推進(jìn)到3D的整合和提升芯片的高能效表現(xiàn)。我們談完2D到3D的發(fā)展，各位讀者就能發(fā)現(xiàn)：芯片設(shè)計(jì)的復(fù)雜度越來(lái)越高，F(xiàn)ab（半導(dǎo)體制造廠）很多時(shí)候沒(méi)有辦法使用一些簡(jiǎn)單地電路設(shè)計(jì)就去評(píng)估不同的工藝選項(xiàng)，而必須越來(lái)越多地依賴(lài)Fabless（無(wú)晶圓廠半導(dǎo)體公司）客戶(hù)的反饋來(lái)調(diào)整工藝。這就引出了一個(gè)全新的賽道——電路設(shè)計(jì)與工藝協(xié)同優(yōu)化（design technology co-optimization，DTCO）

總的來(lái)說(shuō)，DTCO是一個(gè)相當(dāng)寬泛的概念，涵蓋了任何將半導(dǎo)體工藝和具體電路設(shè)計(jì)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化的措施。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，DTCO就是根據(jù)半導(dǎo)體芯片的具體要求去優(yōu)化半導(dǎo)體工藝。

在DTCO的實(shí)踐中，F(xiàn)ab在開(kāi)發(fā)新一代工藝時(shí)，通常會(huì)使用一些常規(guī)的電路設(shè)計(jì)來(lái)評(píng)估各種新一代工藝中的選項(xiàng)，從而決定最佳方案。這種做法有助于確保工藝與電路設(shè)計(jì)的最佳協(xié)同。

另一方面，Fab也會(huì)與合作的Fabless合作，提供早期評(píng)估版本的PDK（工藝設(shè)計(jì)套件）。Fabless使用PDK來(lái)設(shè)計(jì)一些關(guān)鍵電路并評(píng)估其性能，然后為Fab提供反饋，幫助Fab迭代工藝設(shè)計(jì)。這種合作模式有助于確保工藝與電路設(shè)計(jì)的緊密配合，從而實(shí)現(xiàn)最佳的性能和可靠性。

目前，隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，摩爾定律的延續(xù)變得越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性，開(kāi)發(fā)和使用新一代半導(dǎo)體工藝的成本越來(lái)越高，同時(shí)性能提升也越來(lái)越小。因此，借助DTCO來(lái)優(yōu)化半導(dǎo)體工藝和電路設(shè)計(jì)變得越來(lái)越重要。未來(lái)，DTCO將進(jìn)一步發(fā)展為STCO（System-Technology Co-Optimization），即在常規(guī)電路-工藝優(yōu)化之外額外考慮2.5D/3D IC封裝的協(xié)同優(yōu)化。這種協(xié)同優(yōu)化可以進(jìn)一步改善芯片的性能和可靠性，同時(shí)降低成本。根據(jù)頂級(jí)半導(dǎo)體研究機(jī)構(gòu)IMEC的分析，DTCO和STCO從10nm開(kāi)始對(duì)于半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步演進(jìn)起的作用越來(lái)越大，并逐漸取代之前摩爾定律中的簡(jiǎn)單減小工藝特征尺寸的模式。這意味著，通過(guò)DTCO和STCO的協(xié)同優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝和更高的性能。