Η προηγμένη συσκευασία είναι ένα από τα κορυφαία τεχνολογικά σημεία της εποχής «More than Moore».Καθώς τα τσιπ γίνονται όλο και πιο δύσκολα και δαπανηρά στη μικρογραφία σε κάθε κόμβο διεργασίας, οι μηχανικοί τοποθετούν πολλαπλά τσιπ σε προηγμένα πακέτα, ώστε να μην χρειάζεται πλέον να αγωνίζονται για να τα συρρικνώσουν.Αυτό το άρθρο παρέχει μια σύντομη εισαγωγή σε 10 από τους πιο συνηθισμένους όρους που χρησιμοποιούνται στην προηγμένη τεχνολογία συσκευασίας.
Πακέτα 2.5D
Το πακέτο 2.5D είναι μια πρόοδος της παραδοσιακής τεχνολογίας συσκευασίας 2D IC, που επιτρέπει την καλύτερη χρήση της γραμμής και του χώρου.Σε μια συσκευασία 2,5D, οι γυμνές μήτρες στοιβάζονται ή τοποθετούνται δίπλα-δίπλα πάνω από ένα στρώμα παρεμβολής με πυρίτιο μέσω vias (TSVs).Η βάση, ή το στρώμα παρεμβολής, παρέχει συνδεσιμότητα μεταξύ των τσιπ.
Το πακέτο 2.5D χρησιμοποιείται συνήθως για high-end ASIC, FPGA, GPU και κύβους μνήμης.Το 2008 η Xilinx διαιρεί τα μεγάλα FPGA της σε τέσσερα μικρότερα τσιπ με υψηλότερες αποδόσεις και τα συνδέει με το στρώμα παρεμβολής πυριτίου.Τα πακέτα 2.5D γεννήθηκαν έτσι και τελικά χρησιμοποιούνται ευρέως για την ενσωμάτωση επεξεργαστή μνήμης υψηλού εύρους ζώνης (HBM).
Διάγραμμα πακέτου 2.5D
3D συσκευασία
Σε ένα πακέτο 3D IC, τα λογικά καλούπια στοιβάζονται μαζί ή με καλούπι αποθήκευσης, εξαλείφοντας την ανάγκη δημιουργίας μεγάλων System-on-Chips (SoC).Οι μήτρες συνδέονται μεταξύ τους με ένα ενεργό στρώμα παρεμβολής, ενώ τα πακέτα IC 2,5D χρησιμοποιούν αγώγιμα εξογκώματα ή TSV για τη στοίβαξη εξαρτημάτων στο στρώμα παρεμβολής, τα πακέτα 3D IC συνδέουν πολλαπλά στρώματα πλακών πυριτίου σε εξαρτήματα χρησιμοποιώντας TSV.
Η τεχνολογία TSV είναι η βασική τεχνολογία ενεργοποίησης τόσο σε πακέτα IC 2,5D όσο και σε 3D και η βιομηχανία ημιαγωγών χρησιμοποιεί την τεχνολογία HBM για την παραγωγή τσιπ DRAM σε πακέτα 3D IC.
Μια διατομή του πακέτου 3D δείχνει ότι η κατακόρυφη διασύνδεση μεταξύ των τσιπ πυριτίου επιτυγχάνεται μέσω μεταλλικών χάλκινων TSV.
Chiplet
Τα τσιπετ είναι μια άλλη μορφή συσκευασίας 3D IC που επιτρέπει την ετερογενή ενοποίηση στοιχείων CMOS και μη CMOS.Με άλλα λόγια, είναι μικρότερα SoC, που ονομάζονται επίσης chiplet, παρά μεγάλα SoC σε ένα πακέτο.
Η διάσπαση ενός μεγάλου SoC σε μικρότερα, μικρότερα τσιπ προσφέρει υψηλότερες αποδόσεις και χαμηλότερο κόστος από ένα μόνο γυμνό ζάρι.Τα chiplet επιτρέπουν στους σχεδιαστές να επωφεληθούν από ένα ευρύ φάσμα IP χωρίς να χρειάζεται να εξετάζουν ποιον κόμβο διεργασίας να χρησιμοποιήσουν και ποια τεχνολογία να χρησιμοποιήσουν για την κατασκευή του.Μπορούν να χρησιμοποιήσουν ένα ευρύ φάσμα υλικών, όπως πυρίτιο, γυαλί και ελάσματα για την κατασκευή του τσιπ.
Τα συστήματα που βασίζονται σε chiplet αποτελούνται από πολλαπλά Chiplet σε ένα ενδιάμεσο στρώμα
Πακέτα Fan Out
Σε ένα πακέτο Fan Out, η «σύνδεση» αποσπάται από την επιφάνεια του τσιπ για να παρέχει περισσότερη εξωτερική είσοδο/έξοδο.Χρησιμοποιεί ένα εποξειδικό υλικό καλουπώματος (EMC) που είναι πλήρως ενσωματωμένο στη μήτρα, εξαλείφοντας την ανάγκη για διεργασίες όπως το χτύπημα γκοφρέτας, η ροή, η τοποθέτηση σε flip-chip, ο καθαρισμός, ο ψεκασμός από το κάτω μέρος και η σκλήρυνση.Επομένως, δεν απαιτείται ούτε ενδιάμεσο στρώμα, καθιστώντας την ετερογενή ολοκλήρωση πολύ πιο εύκολη.
Η τεχνολογία Fan-out προσφέρει ένα μικρότερο πακέτο με περισσότερα I/O από άλλους τύπους πακέτων και το 2016 ήταν ο πρωταγωνιστής της τεχνολογίας όταν η Apple μπόρεσε να χρησιμοποιήσει την τεχνολογία συσκευασίας της TSMC για να ενσωματώσει τον επεξεργαστή εφαρμογών 16 nm και τη φορητή DRAM σε ένα ενιαίο πακέτο για iPhone 7.
Συσκευασία με ανεμιστήρα
Συσκευασία σε επίπεδο γκοφρέτας Fan-Out (FOWLP)
Η τεχνολογία FOWLP είναι μια βελτίωση στη συσκευασία σε επίπεδο γκοφρέτας (WLP) που παρέχει περισσότερες εξωτερικές συνδέσεις για τσιπ πυριτίου.Περιλαμβάνει την ενσωμάτωση του τσιπ σε ένα εποξειδικό υλικό χύτευσης και στη συνέχεια την κατασκευή ενός στρώματος ανακατανομής υψηλής πυκνότητας (RDL) στην επιφάνεια του πλακιδίου και την εφαρμογή σφαιρών συγκόλλησης για να σχηματιστεί μια ανασυσταθείσα γκοφρέτα.
Το FOWLP παρέχει μεγάλο αριθμό συνδέσεων μεταξύ της συσκευασίας και της πλακέτας εφαρμογής και επειδή το υπόστρωμα είναι μεγαλύτερο από το καλούπι, το βήμα της μήτρας είναι στην πραγματικότητα πιο χαλαρό.
Παράδειγμα πακέτου FOWLP
Ετερογενής ολοκλήρωση
Η ενσωμάτωση διαφορετικών εξαρτημάτων που κατασκευάζονται χωριστά σε συγκροτήματα υψηλότερου επιπέδου μπορεί να βελτιώσει τη λειτουργικότητα και να βελτιώσει τα λειτουργικά χαρακτηριστικά, έτσι ώστε οι κατασκευαστές εξαρτημάτων ημιαγωγών να μπορούν να συνδυάζουν λειτουργικά εξαρτήματα με διαφορετικές ροές διεργασιών σε ένα ενιαίο συγκρότημα.
Η ετερογενής ολοκλήρωση είναι παρόμοια με το system-in-package (SiP), αλλά αντί να συνδυάζει πολλαπλές γυμνές μήτρες σε ένα μόνο υπόστρωμα, συνδυάζει πολλαπλές IP με τη μορφή Chiplets σε ένα μόνο υπόστρωμα.Η βασική ιδέα της ετερογενούς ολοκλήρωσης είναι ο συνδυασμός πολλαπλών στοιχείων με διαφορετικές λειτουργίες στο ίδιο πακέτο.
Μερικά τεχνικά δομικά στοιχεία σε ετερογενή ολοκλήρωση
HBM
Το HBM είναι μια τυποποιημένη τεχνολογία αποθήκευσης στοίβας που παρέχει κανάλια υψηλού εύρους ζώνης για δεδομένα μέσα σε μια στοίβα και μεταξύ μνήμης και λογικών στοιχείων.Τα πακέτα HBM στοιβάζουν τη μνήμη και τα συνδέουν μεταξύ τους μέσω TSV για να δημιουργήσουν περισσότερο I/O και εύρος ζώνης.
Το HBM είναι ένα πρότυπο JEDEC που ενσωματώνει κάθετα πολλαπλά επίπεδα στοιχείων DRAM σε ένα πακέτο, μαζί με επεξεργαστές εφαρμογών, GPU και SoC.Το HBM υλοποιείται κυρίως ως πακέτο 2.5D για διακομιστές υψηλής τεχνολογίας και τσιπ δικτύωσης.Η έκδοση HBM2 αντιμετωπίζει τώρα τους περιορισμούς χωρητικότητας και ρυθμού ρολογιού της αρχικής έκδοσης HBM.
Πακέτα HBM
Ενδιάμεσο στρώμα
Το στρώμα παρεμβολής είναι ο αγωγός μέσω του οποίου περνούν τα ηλεκτρικά σήματα από τη γυμνή μήτρα πολλαπλών τσιπ ή την πλακέτα στη συσκευασία.Είναι η ηλεκτρική διεπαφή μεταξύ των υποδοχών ή των βυσμάτων, που επιτρέπει στα σήματα να διαδίδονται πιο μακριά και επίσης να συνδέονται με άλλες υποδοχές στην πλακέτα.
Το στρώμα παρεμβολής μπορεί να κατασκευαστεί από πυρίτιο και οργανικά υλικά και λειτουργεί ως γέφυρα μεταξύ της μήτρας πολλαπλών καλουπιών και της σανίδας.Τα στρώματα παρεμβολής πυριτίου είναι μια δοκιμασμένη τεχνολογία με υψηλή πυκνότητα I/O λεπτού βήματος και δυνατότητες σχηματισμού TSV και διαδραματίζουν βασικό ρόλο στη συσκευασία τσιπ IC 2,5D και 3D.
Τυπική υλοποίηση ενός ενδιάμεσου επιπέδου διαμερισμένου συστήματος
Επίπεδο ανακατανομής
Το στρώμα ανακατανομής περιέχει τις χάλκινες συνδέσεις ή ευθυγραμμίσεις που επιτρέπουν τις ηλεκτρικές συνδέσεις μεταξύ των διαφόρων τμημάτων της συσκευασίας.Είναι ένα στρώμα από μεταλλικό ή πολυμερικό διηλεκτρικό υλικό που μπορεί να στοιβάζεται στη συσκευασία με γυμνό καλούπι, μειώνοντας έτσι την απόσταση I/O των μεγάλων chipsets.Τα επίπεδα ανακατανομής έχουν γίνει αναπόσπαστο μέρος των λύσεων πακέτων 2.5D και 3D, επιτρέποντας στα τσιπ σε αυτά να επικοινωνούν μεταξύ τους χρησιμοποιώντας ενδιάμεσα επίπεδα.
Ενσωματωμένα πακέτα χρησιμοποιώντας επίπεδα αναδιανομής
TSV
Το TSV είναι μια βασική τεχνολογία υλοποίησης για λύσεις συσκευασίας 2.5D και 3D και είναι μια γκοφρέτα γεμάτη χαλκό που παρέχει μια κατακόρυφη διασύνδεση μέσω της μήτρας πλακιδίων πυριτίου.Διατρέχει ολόκληρο το καλούπι για να παρέχει μια ηλεκτρική σύνδεση, σχηματίζοντας τη συντομότερη διαδρομή από τη μια πλευρά της μήτρας στην άλλη.
Οι διαμπερείς οπές ή οι οπές χαράσσονται σε ένα ορισμένο βάθος από την μπροστινή πλευρά της γκοφρέτας, η οποία στη συνέχεια μονώνεται και γεμίζεται με την εναπόθεση ενός αγώγιμου υλικού (συνήθως χαλκού).Μόλις κατασκευαστεί το τσιπ, αραιώνεται από την πίσω πλευρά της γκοφρέτας για να εκτεθούν οι οπές και το μέταλλο εναποτίθεται στην πίσω πλευρά της πλακέτας για να ολοκληρωθεί η διασύνδεση TSV.
Ώρα δημοσίευσης: 07-07-2023