三維整合與小晶片

中介層(interposer)

一旦你決定不再做一顆巨大的整片晶片,而是把幾顆較小的小晶片並排擺在一起,就會撞上一個新問題:它們之間要怎麼連線?普通電路板上的走線太粗了——每毫米大概只能容納幾十條連接,而一顆現代裸晶的邊緣卻要上千條。中介層(interposer)就是答案。它是一塊薄薄的板子——通常是矽,有時是有機疊層材料——墊在這些小晶片下面,充當它們之間一層專用的、超精細的佈線地板。小晶片以覆晶方式藉由微小的焊料微凸塊貼裝在上面,中介層把密集的訊號橫向地從一顆小晶片送到另一顆,而它底面上一組較粗的凸塊則把整個組件向下連到封裝與電路板。

這就是人們所說的 2.5D 整合:晶片仍然處在同一個平面裡、邊對邊地排布,而不是垂直地疊起來(那才是真正的 3D)。中介層只是給了它們一套遠比電路板豐富得多的連接。由於矽可以用製造晶片的同一套微影工藝來刻圖案,矽中介層能提供以微米計量的線間距,還可以選用穿透矽通孔(TSV)——它直接豎著打穿下去,讓電源與來自電路板的訊號得以穿過中介層。正是這種精細的間距,造就了 HBM 的工作方式:一疊用 TSV 鍵合起來的 DRAM 被緊貼著邏輯裸晶擺放在同一塊中介層上,它們之間那成千上萬條又短又密的連線,正是帶來巨大記憶體頻寬的原因——它回應了記憶體牆,而一條窄窄的封裝外匯流排是永遠解決不了這個問題的。

代價是成本與尺寸。一塊大的矽中介層本身就是一片製造出來的矽,既昂貴,又受限於單次曝光能印多大的範圍,正因如此,有機中介層與基於橋的替代方案(只在真正需要密集佈線的地方嵌入一小塊矽橋)才日漸流行。但核心思想不變:中介層是讓小晶片系統得以成立的共享地基,它讓你能把來自不同製程節點的裸晶混搭在一起、只保留其中的良品裸晶,同時又把它們連得幾乎像一顆整片晶片那樣緊密。

2.5D: chiplets side by side on a shared interposer

  [ logic die ]   [ HBM stack ]
   |||||||||||     |||||||||||   <- microbumps
  =============================  <- INTERPOSER (fine traces + TSVs)
     o   o   o   o   o   o       <- C4 bumps
  -----------------------------  <- package substrate

3D: dies stacked vertically, bonded through TSVs

        [ die 2 ]
         | TSV |                 <- vertical connection
        [ die 1 ]
  ----------------- package

2.5D 把小晶片邊對邊地擺在同一塊中介層上;3D 則把它們垂直堆疊、並透過 TSV 連接。許多現代元件同時用上這兩種方式。

隨著先進封裝在同一個產品裡把兩者結合起來,2.5D(小晶片在中介層上並排擺放)與 3D(裸晶垂直堆疊、面對面鍵合)之間的界線正變得越來越模糊。

又稱
silicon interposer2.5D interposer硅中介层矽中介層