中介层(interposer)
一旦你决定不再做一颗巨大的整片芯片,而是把几颗较小的芯粒并排摆在一起,就会撞上一个新问题:它们之间怎么连线?普通电路板上的走线太粗了——每毫米大概只能容纳几十条连接,而一颗现代裸片的边缘却要上千条。中介层(interposer)就是答案。它是一块薄薄的板子——通常是硅,有时是有机叠层材料——垫在这些芯粒下面,充当它们之间一层专用的、超精细的布线地板。芯粒以倒装方式借助微小的焊料微凸点贴装在上面,中介层把密集的信号横向地从一颗芯粒送到另一颗,而它底面上一组较粗的凸点则把整个组件向下连到封装和电路板。
这就是人们所说的 2.5D 集成:芯片仍然处在同一个平面里、边对边地排布,而不是垂直地叠起来(那才是真正的 3D)。中介层只是给了它们一套远比电路板丰富得多的连接。由于硅可以用制造芯片的同一套光刻工艺来刻图案,硅中介层能提供以微米计量的线间距,还可以选用穿透硅过孔(TSV)——它直接竖着打穿下去,让电源和来自电路板的信号得以穿过中介层。正是这种精细的间距,造就了 HBM 的工作方式:一叠用 TSV 键合起来的 DRAM 被紧贴着逻辑裸片摆放在同一块中介层上,它们之间那成千上万条又短又密的连线,正是带来巨大内存带宽的原因——它回应了内存墙,而一条窄窄的封装外总线是永远解决不了这个问题的。
代价是成本和尺寸。一块大的硅中介层本身就是一片制造出来的硅,既昂贵,又受限于单次曝光能印多大的范围,正因如此,有机中介层和基于桥的替代方案(只在真正需要密集布线的地方嵌入一小块硅桥)才日渐流行。但核心思想不变:中介层是让芯粒系统得以成立的共享地基,它让你能把来自不同工艺节点的裸片混搭在一起、只保留其中的良品裸片,同时又把它们连得几乎像一颗整片芯片那样紧密。
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 ]
----------------- package2.5D 把芯粒边对边地摆在同一块中介层上;3D 则把它们垂直堆叠、并通过 TSV 连接。许多现代器件同时用上这两种方式。
随着先进封装在同一个产品里把两者结合起来,2.5D(芯粒在中介层上并排摆放)与 3D(裸片垂直堆叠、面对面键合)之间的界线正变得越来越模糊。