le="display: block;">IBM計(jì)劃在今年樣產(chǎn)首款利用金屬實(shí)現(xiàn)芯片間直接互聯(lián)的商用器件,這一改動(dòng)雖小,但是在向3D封裝的演進(jìn)途中,它卻堪稱是一件意義重大的里程碑式事件。這種新型的芯片設(shè)計(jì)方式,可能會(huì)提高多種系統(tǒng)的性能,并降低其功耗和成本。
在2008年,IBM這位藍(lán)色巨人的新型功放也將投入量產(chǎn),據(jù)稱該產(chǎn)品可與電源接地層實(shí)現(xiàn)多達(dá)100個(gè)直接金屬連接。該連接方式可將產(chǎn)品功耗降低40%,而這在手機(jī)或Wi-Fi適配器中至為關(guān)鍵。
目前,行業(yè)內(nèi)共有大約十幾家公司在追求被稱為“硅片直通孔(TSV)”或其它形式的3D封裝技術(shù),并將其作為芯片間直接互連的下一個(gè)巨大飛躍,而IBM正是其中之一。4月下旬,一組半導(dǎo)體專家曾聚在一起,首次為TSV技術(shù)草擬行業(yè)發(fā)展藍(lán)圖,該小組希望正式的發(fā)展藍(lán)圖能夠在今年年底出爐。
3D封裝技術(shù)超越了目前廣為使用的系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)和系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)方法。使用該技術(shù),原始硅裸片通過幾十微米寬的微小金屬填充孔相互槽嵌(slot into)在一起,而無需采用基層介質(zhì)和導(dǎo)線。與目前封裝方式所能達(dá)到的水平相比,該技術(shù)能以低得多的功耗和更高數(shù)據(jù)速率連接多種不同器件。
“為連接這些微米級(jí)過孔,時(shí)下采用的毫米級(jí)導(dǎo)線需要成百倍地被細(xì)化。”芯片產(chǎn)業(yè)研發(fā)聯(lián)盟Sematech互連部門主管Sitaram Arkalgud表示,“最終目標(biāo)是找到一種方法將異類堆棧中的CMOS、生物微機(jī)電系統(tǒng)(bio-MEMS),以及其它器件連接起來。為此,業(yè)界或許需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的3D連線協(xié)議來放置過孔。”Arkalgud將幫助起草3D芯片發(fā)展藍(lán)圖。
“這將為芯片產(chǎn)業(yè)開辟一片全新的天地。” WeSRCH網(wǎng)站(由市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)VLSI Research創(chuàng)辦)負(fù)責(zé)人David Lammers表示。
攀登3D階梯
IBM將采用漸進(jìn)方式啟動(dòng)3D封裝技術(shù)。除了功放,IBM還計(jì)劃采用該技術(shù)將一個(gè)微處理器與接地層連接,從而穩(wěn)定芯片上的功率分布,而這將需要100多個(gè)過孔來連接穩(wěn)壓器和其它無源器件。
IBM已經(jīng)完成了這樣一個(gè)設(shè)計(jì)原型,并預(yù)計(jì)此舉能將CPU功耗減少20%。“不過,我們還未決定將其插入產(chǎn)品計(jì)劃的哪個(gè)環(huán)節(jié)。”IBM探索性研發(fā)小組高級(jí)研發(fā)經(jīng)理Wilfried Haensch表示。
最終目標(biāo)是采用數(shù)千個(gè)互連實(shí)現(xiàn)CPU和存儲(chǔ)器間的高帶寬連接。IBM已將其Blue Gene超級(jí)計(jì)算機(jī)中使用的定制Power處理器改為TSV封裝。新的芯片將與緩存芯片直接匹配,目前,采用該技術(shù)的一個(gè)SRAM原型正在IBM的300mm生產(chǎn)線上利用65nm工藝技術(shù)進(jìn)行制造。
“我敢打賭,到2010年將出現(xiàn)采用該方法連接緩存的微處理器。”Lammers指出,“我認(rèn)為,真正需要這種技術(shù)的,是那種超過10個(gè)內(nèi)核的處理器場(chǎng)合。在這種情況下,處理器和存儲(chǔ)器間的帶寬確實(shí)是個(gè)問題。”
在英特爾和AMD間正在進(jìn)行的博弈中,該新技術(shù)將成為一個(gè)重要籌碼。雖然AMD與IBM合作開發(fā)工藝技術(shù),但AMD可能需要向IBM申請(qǐng)這種封裝技術(shù)的特別使用許可——這也許會(huì)發(fā)生在32nm時(shí)代,Lammers介紹。
英特爾也在開發(fā)TSV技術(shù)。英特爾計(jì)劃在未來的萬億赫茲研究型處理器中采用這種技術(shù),該公司研發(fā)部負(fù)責(zé)人Justin Rattner在去年的英特爾開發(fā)者論壇上曾如此表示。
TSV可把芯片上數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)木嚯x縮短1,000倍,并使每個(gè)器件的互連性增加100倍,IBM聲稱。“這一突破是IBM十多年的研究結(jié)晶。”IBM半導(dǎo)體研發(fā)中心副總裁Lisa Su表示。
芯片制造商的3D互連研究歷時(shí)多年,但截至目前,該技術(shù)仍被認(rèn)為是一種昂貴的、針對(duì)特定小應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)。工程師一直在研究通孔、晶圓級(jí)邦定,以及其它替代技術(shù)。由于眾多專家相信2009年將出現(xiàn)一場(chǎng)互連危機(jī),所以對(duì)3D互連和封裝的需求已變得日益迫切。這場(chǎng)危機(jī)的根源在于:隨著芯片工藝節(jié)點(diǎn)的縮小,芯片設(shè)計(jì)中鋁或銅導(dǎo)線變得越來越細(xì),從而會(huì)導(dǎo)致潛在的時(shí)序延遲及多余的銅阻抗。
即使有IBM的聲明,但是業(yè)界仍面臨著成本、良率和測(cè)試等一系列棘手問題。”專注于封裝問題的Prismark Partners咨詢公司高級(jí)顧問Brandon Prior表示。
新出現(xiàn)的裸片堆疊技術(shù)目前既不成熟,又十分昂貴。芯片堆疊內(nèi)的熱散逸是另一個(gè)主要難題。如今,幾家公司正在樣產(chǎn)TSV產(chǎn)品,但卻沒有一家表現(xiàn)出有足夠的潛力能取代目前地位穩(wěn)固的邦定技術(shù),或在“封裝堆疊(PoP)”技術(shù)上取得新進(jìn)展。
的確,堆疊多個(gè)封裝基底的方法仍是目前封裝技術(shù)中發(fā)展最熱的一塊,Amkor公司業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理Lee Smith表示。美國(guó)電子器件工程聯(lián)合委員會(huì)(Jedec)已經(jīng)為該方法設(shè)立了一系列標(biāo)準(zhǔn),而且這些技術(shù)正在被整合了存儲(chǔ)器和邏輯芯片的手機(jī)棧迅速采用,Smith介紹。
Tessera希望能借助PoP之勢(shì)進(jìn)行發(fā)展。該公司發(fā)布了自己的MicroPILR技術(shù),這是一種更具革命性的方法,可用于多種芯片和板卡應(yīng)用。
一些專家相信,存儲(chǔ)器將會(huì)成為首批采用TSV技術(shù)的器件之一。但傳統(tǒng)的邦定工藝和目前的芯片堆疊技術(shù),也將繼續(xù)取得進(jìn)步。鑒于各種方法的成本有所不同,所以它們可能將在許多應(yīng)用中與3D封裝爭(zhēng)奪市場(chǎng)。
Sematech已開始研制一種成本模型,該模型能把不同的技術(shù)與其最適合的應(yīng)用相對(duì)應(yīng),Arkalgud介紹。今年底,首張映配圖將會(huì)面市,但其內(nèi)容也會(huì)隨著時(shí)間的發(fā)展而產(chǎn)生變化,他說。
取得行業(yè)關(guān)注
的確,使行業(yè)內(nèi)各公司集中精力于幾種3D封裝法和這些方法帶來的技術(shù)挑戰(zhàn),是目前該領(lǐng)域面臨的最大障礙之一,Arkalgud指出。
“業(yè)界正處在這樣一個(gè)關(guān)口:解決方案太多,人們無法在前進(jìn)的道路上達(dá)成共識(shí)。現(xiàn)在如果你向5個(gè)人詢問解決該問題的方法,可能會(huì)得到5個(gè)以上的答案。”他表示。
TSV的發(fā)展藍(lán)圖,將在下一版的《國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖》中作為其內(nèi)容的一部分發(fā)表,此舉將起到促進(jìn)行業(yè)達(dá)成共識(shí)的積極作用。成本映配文件則是另一股推進(jìn)力量,Arkalgud接著說。
一旦能達(dá)成共識(shí),業(yè)界需要解決一系列技術(shù)問題。這些問題包括:如何組合及排列3D芯片堆疊、如何一致性地生產(chǎn)和處理它們所需的超薄晶圓等。如何簡(jiǎn)單地鉆通并填充這些微小的過孔(孔深與孔徑之比為10:1、直徑小至90微米),曾經(jīng)是IBM面臨的主要挑戰(zhàn),Haensch表示。但是他拒絕透露IBM工藝的細(xì)節(jié)。
“當(dāng)開始蝕刻這些小孔并形成新鍍層時(shí),會(huì)產(chǎn)生一些碎屑,而這些碎屑會(huì)影響良率。”VLSI Research的Lammers表示。
已經(jīng)很熱的裸片在直接堆疊時(shí)還會(huì)產(chǎn)生熱,如何散熱就成為另一個(gè)難題。工程師正在研究將最熱的裸片放在棧外的方法,但目前還沒有好的熱仿真工具能確定在使用時(shí)哪個(gè)區(qū)域最熱或最涼,Arkalgud指出。
工程師一旦解決了制造中遇到的難題,那么該技術(shù)就將打造芯片設(shè)計(jì)的新天地。若處理器能與多個(gè)SRAM進(jìn)行直接的高帶寬連接,那么它們也許就不再需要內(nèi)部緩存。這些緩存一般占據(jù)了CPU裸片的大部分面積。
作者:麥利 馬立得
