eng
DOI: 10.22184/1992-4178.2025.246.5.104.108
Системы на основе чиплетов обеспечивают ряд преимуществ с точки зрения проектирования и производства, но в то же время требуют внедрения усовершенствованных технологий корпусирования и гетерогенной интеграции. В статье представлен обзор современных методов создания межсоединений в чиплетных системах.
Системы на основе чиплетов обеспечивают ряд преимуществ с точки зрения проектирования и производства, но в то же время требуют внедрения усовершенствованных технологий корпусирования и гетерогенной интеграции. В статье представлен обзор современных методов создания межсоединений в чиплетных системах.
Теги: chiplets flexible bridge heterogeneous integration interconnects interposer packaging technologies rigid bridge through silicon vias (tsv) гетерогенная интеграция гибкий мост жесткий мост интерпозер межсоединения переходные отверстия в кремнии (tsv) технологии корпусирования чиплеты
Современные технологии гетерогенной интеграции чиплетов
Д. Суханов
Чиплеты (chiplet) – это кристаллы интегральных схем со специализированной функциональностью. Они предназначены для объединения в более крупные системы или модули, следуя современной тенденции к созданию трехмерных структур.
Такой подход имеет ряд преимуществ по сравнению с созданием больших систем на кристалле в одном технологическом процессе, но в то же время требует внедрения усовершенствованных технологий корпусирования и гетерогенной интеграции. В статье представлен обзор современных методов создания межсоединений в чиплетных системах.
Следует выделить следующие ключевые преимущества систем на основе чиплетов: увеличение выхода годных (снижение затрат при производстве); быстрый выход на рынок; снижение затрат на проектирование; улучшенные тепловые характеристики; модульный подход к проектированию. Среди недостатков необходимо отметить дополнительную площадь для межсоединений (интерфейсов связи) и более высокие затраты на корпусирование. Следовательно, главная задача в технологии корпусирования и гетерогенной интеграции чиплетов – добиться уменьшения площади интерфейсов связи между чиплетами.
Современные технологии корпусирования и гетерогенной интеграции можно разделить на несколько групп (рис. 1, 2).
В данной статье рассмотрим несколько типов так называемых мостов для создания межсоединений между чиплетами, в том числе сформированных поверх органической подложки корпуса, встроенных в эпоксидный формовочный компаунд с разветвлением на выходе (типа fan-out) и гибких.
Предыстория вопроса
На начальных этапах развития чиплетных систем и технологий гетерогенной интеграции межсоединения осуществлялись за счет металлических проводников, сформированных в промежуточных слоях кремния, интерпозерах, и соединяемых посредством сквозных отверстий (TSV – through silicon via).
На рис. 3 показан пример реализации межсоединений с помощью TSV и интерпозера в FPGA семейства Virtex-7 HT, выпущенных в 2013 году компанией Xilinx. Изначально в компании Xilinx спроектировали FPGA этого семейства в виде одного чипа на базе 28-нм техпроцесса TSMC, однако из-за большого размера кристалла выход годных был очень низким. Поэтому специалисты компании перепроектировали FPGA и разделили кристалл на четыре чиплета, построенные на базе 28-нм технологии (см. рис. 3). Затем чиплеты были изготовлены и установлены в корпусе по технологии 2,5D-интеграции «чип-на-пластине-на-подложке» (CoWoS – chip-on-wafer-on-substrate). Минимальный шаг четырех слоев перераспределения (RDL – redistribution layers) на TSV-интерпозере составлял 0,4 мкм. Понятно, что такое решение имеет очень высокую стоимость.
Еще один пример – серверные процессоры серии 7002 от AMD второго поколения, выпущенные в 2019 году (рис. 4).
Первоначальное решение, предложенное компанией AMD для таких процессоров, заключалось в том, чтобы реализовать ядро центрального процессора на основе дорогостоящей передовой технологии, а интерфейсы ввода-вывода и интерфейсы памяти – на базе технологии предыдущего поколения.
Затем было решено разделить ядро ЦП на чиплеты: каждый кристалл комплексного ядра (CCD – core complex die) – основного вычислительного чипа – был разделен на два чиплета (см. рис. 4). AMD использовала передовой 7-нм техпроцесс для реализации чиплетов CCD, а DRAM и логику разместила на кристалле интерфейса ввода-вывода, который был изготовлен в GlobalFoundries на базе отработанной в серийном производстве 14-нм технологии.
Для соединения чиплетов процессора в единую систему была использована технология 2D-интеграции, то есть все чиплеты располагались на 20-слойной подложке рядом друг с другом и соединялись металлическими проводниками, что также слишком затратно при производстве.
Следует отметить, что основным требованием для создания соединений между чиплетами является сохранение минимального соотношения между шириной проводника, расстоянием между проводниками и толщиной проводника (L/S/H – line/space/high) при малой площади самих чиплетов. Однако не нужно задействовать весь TSV-интерпозер или целиком всю органическую подложку для реализации таких межсоединений. Поэтому для снижения стоимости решения была предложена концепция использования RDL-мостов, состоящих
из соединений с очень мелким L/S/H-шагом в локальной области. Сегодня такой подход для гетерогенной интеграции чиплетов считается весьма перспективным.
Можно выделить два типа RDL-мостов: жесткие и гибкие. Рассмотрим их подробнее.
Жесткий мост
RDL-слои для большинства жестких мостов выполняют на кремниевой пластине. Наиболее известное решение такого типа – мост EMIB (embedded multi-die interconnect bridge) от компании Intel. EMIB выполняет как минимум три важные задачи:
На рис. 5 показана конструкция EMIB, запатентованного Intel, и блок-схема модуля FPGA Agilex. Как видно из рис. 5, на чиплетах расположены два типа бампов: C4 (большего размера) и C2 (меньшего размера). Кристалл FPGA и другие чип-
леты устанавливаются на подложке корпуса и соединяются с помощью EMIB с металлическими RDL-проводниками с мелким L/S/H-шагом. Минимальное соотношение L/S/H составляет 2 мкм/2 мкм/2 мкм, а площадь моста – от 2 х 2 мм до 8 х 8 мм. Толщина диэлектрического слоя – 2 мкм.
Одна из важнейших задач в технологии с применением EMIB – изготовить органическую подложку с возможностью наращивания слоев со сформированными в них полостями для кремниевых мостиков, а в качестве последнего слоя использовать ламинирующий слой.
Специалисты Intel выделили ряд проблем, связанных с созданием соединений между чиплетами:
Еще одно решение предложила компания IBM – технологию гетерогенной интеграции DBHi (direct bonded heterogeneous integration). Различия между EMIB от Intel и DBHi от IBM:
в EMIB на чиплетах расположены два типа бампов (C4 и C2), а на мосту их нет, в то время как для DBHi на чиплетах сформированы бампы типа C4, а на мосту – C2 (рис. 6);
в EMIB мост встраивается в полость подложки, а затем ламинируется сверху другим слоем, что образует очень сложную конструкцию. В DBHi подложка представляет собой обычную наращиваемую подложку с полостью сверху подложки.
Процесс бондинга по технологии DBHi довольно прост (см. рис. 6). Сначала соединяют чип 1 и мост с использованием непроводящей пасты (NCP – nonconductive paste) и термокомпрессии (TCB – thermal compression bonding). Затем соединяют чип 2 и мост также с помощью NCP и TCB. Потом размещают всю конструкцию (чип 1 + мост + чип 2) на органической подложке с полостью и выполняют стандартный процесс сборки Flip-Chip с оплавлением.
Жесткие мосты от Intel и IBM либо встраиваются в органическую подложку, либо располагаются на ней. Существует еще один вид жесткого моста – мост, встроенный в эпоксидный формовочный компаунд (EMC) с разветвлением на выходе (fan-out). В 2020 году компания Applied Materials разработала и запатентовала конструкцию такого моста, а компания TSMC в том же году анонсировала аналогичные решения – интегрированное локальное межсоединение типа fan-out (InFO_LSI – integrated fan-out local silicon interconnect) и локальное межсоединение «чип-на-пластине-на-подложке» (CoWoS_LSI – Chip-on-Wafer-on-Substrate local silicon interconnect) (рис. 7).
Кроме того, такие компании, как Unimicron, ASE, Amkor, SPIL, IME, предлагают собственные решения на основе жестких мостов.
Гибкий мост
Гибкий мост представляет собой RDL-слой, состоящий из металлических проводников с мелким L/S/H-шагом, расположенных в диэлектрическом полимере, например, в полиимидной пленке. Такой мост был впервые создан компанией SUN Microsystems в 2004 году.
Эта технология нашла применение в высокоскоростных и высокочастотных приложениях, где в качестве диэлектрического слоя используется жидкокристаллический полимер (LCP – liquid crystal polymer).
Процесс сборки гибкого моста прост и похож на процесс, который применяется в технологии DBHi от IBM (рис. 8). Однако здесь бампы C4 и C2 располагаются на самом чиплете, как в случае EMIB. Наиболее сложной проб-
лемой в работе с гибкими мостами является процесс их бондинга к чиплету.
Заключение
Перспективными технологиями создания межсоединений и гетерогенной интеграции чиплетных систем являются жесткие и гибкие мосты.
Для жестких мостов слои перераспределения (RDL) создаются на кремниевой подложке. Жесткие мосты встраиваются в органическую подложку корпуса, как, например, в случае EMIB и DBHi, или в эпоксидный формовочный компаунд (EMC) с разветвлением на выходе (Applied Materials, TSMC, Unimicron, ASE, Amkor, SPIL, IME).
В случае гибких мостов RDL-соединения состоят из проводящих слоев и полиимидных диэлектрических слоев. Для высокочастотных приложений, таких как 5G, вместо полиимдного слоя рекомендуется применять жидкокристаллический полимер (LCP).
ЛИТЕРАТУРА
Lau J.H. Bridges for chiplet design and heterogeneous integration packaging // Chip Scale Review. January-February, 2022. PP. 21–28.
Д. Суханов
Чиплеты (chiplet) – это кристаллы интегральных схем со специализированной функциональностью. Они предназначены для объединения в более крупные системы или модули, следуя современной тенденции к созданию трехмерных структур.
Такой подход имеет ряд преимуществ по сравнению с созданием больших систем на кристалле в одном технологическом процессе, но в то же время требует внедрения усовершенствованных технологий корпусирования и гетерогенной интеграции. В статье представлен обзор современных методов создания межсоединений в чиплетных системах.
Следует выделить следующие ключевые преимущества систем на основе чиплетов: увеличение выхода годных (снижение затрат при производстве); быстрый выход на рынок; снижение затрат на проектирование; улучшенные тепловые характеристики; модульный подход к проектированию. Среди недостатков необходимо отметить дополнительную площадь для межсоединений (интерфейсов связи) и более высокие затраты на корпусирование. Следовательно, главная задача в технологии корпусирования и гетерогенной интеграции чиплетов – добиться уменьшения площади интерфейсов связи между чиплетами.
Современные технологии корпусирования и гетерогенной интеграции можно разделить на несколько групп (рис. 1, 2).
В данной статье рассмотрим несколько типов так называемых мостов для создания межсоединений между чиплетами, в том числе сформированных поверх органической подложки корпуса, встроенных в эпоксидный формовочный компаунд с разветвлением на выходе (типа fan-out) и гибких.
Предыстория вопроса
На начальных этапах развития чиплетных систем и технологий гетерогенной интеграции межсоединения осуществлялись за счет металлических проводников, сформированных в промежуточных слоях кремния, интерпозерах, и соединяемых посредством сквозных отверстий (TSV – through silicon via).
На рис. 3 показан пример реализации межсоединений с помощью TSV и интерпозера в FPGA семейства Virtex-7 HT, выпущенных в 2013 году компанией Xilinx. Изначально в компании Xilinx спроектировали FPGA этого семейства в виде одного чипа на базе 28-нм техпроцесса TSMC, однако из-за большого размера кристалла выход годных был очень низким. Поэтому специалисты компании перепроектировали FPGA и разделили кристалл на четыре чиплета, построенные на базе 28-нм технологии (см. рис. 3). Затем чиплеты были изготовлены и установлены в корпусе по технологии 2,5D-интеграции «чип-на-пластине-на-подложке» (CoWoS – chip-on-wafer-on-substrate). Минимальный шаг четырех слоев перераспределения (RDL – redistribution layers) на TSV-интерпозере составлял 0,4 мкм. Понятно, что такое решение имеет очень высокую стоимость.
Еще один пример – серверные процессоры серии 7002 от AMD второго поколения, выпущенные в 2019 году (рис. 4).
Первоначальное решение, предложенное компанией AMD для таких процессоров, заключалось в том, чтобы реализовать ядро центрального процессора на основе дорогостоящей передовой технологии, а интерфейсы ввода-вывода и интерфейсы памяти – на базе технологии предыдущего поколения.
Затем было решено разделить ядро ЦП на чиплеты: каждый кристалл комплексного ядра (CCD – core complex die) – основного вычислительного чипа – был разделен на два чиплета (см. рис. 4). AMD использовала передовой 7-нм техпроцесс для реализации чиплетов CCD, а DRAM и логику разместила на кристалле интерфейса ввода-вывода, который был изготовлен в GlobalFoundries на базе отработанной в серийном производстве 14-нм технологии.
Для соединения чиплетов процессора в единую систему была использована технология 2D-интеграции, то есть все чиплеты располагались на 20-слойной подложке рядом друг с другом и соединялись металлическими проводниками, что также слишком затратно при производстве.
Следует отметить, что основным требованием для создания соединений между чиплетами является сохранение минимального соотношения между шириной проводника, расстоянием между проводниками и толщиной проводника (L/S/H – line/space/high) при малой площади самих чиплетов. Однако не нужно задействовать весь TSV-интерпозер или целиком всю органическую подложку для реализации таких межсоединений. Поэтому для снижения стоимости решения была предложена концепция использования RDL-мостов, состоящих
из соединений с очень мелким L/S/H-шагом в локальной области. Сегодня такой подход для гетерогенной интеграции чиплетов считается весьма перспективным.
Можно выделить два типа RDL-мостов: жесткие и гибкие. Рассмотрим их подробнее.
Жесткий мост
RDL-слои для большинства жестких мостов выполняют на кремниевой пластине. Наиболее известное решение такого типа – мост EMIB (embedded multi-die interconnect bridge) от компании Intel. EMIB выполняет как минимум три важные задачи:
- бампинг (формирование столбиковых выводов) на пластине с чиплетами (на самом мосту бампы отсутствуют);
- встраивание моста в полость верхнеуровневой подложки;
- соединение чиплетов на подложке с помощью встроенного моста.
На рис. 5 показана конструкция EMIB, запатентованного Intel, и блок-схема модуля FPGA Agilex. Как видно из рис. 5, на чиплетах расположены два типа бампов: C4 (большего размера) и C2 (меньшего размера). Кристалл FPGA и другие чип-
леты устанавливаются на подложке корпуса и соединяются с помощью EMIB с металлическими RDL-проводниками с мелким L/S/H-шагом. Минимальное соотношение L/S/H составляет 2 мкм/2 мкм/2 мкм, а площадь моста – от 2 х 2 мм до 8 х 8 мм. Толщина диэлектрического слоя – 2 мкм.
Одна из важнейших задач в технологии с применением EMIB – изготовить органическую подложку с возможностью наращивания слоев со сформированными в них полостями для кремниевых мостиков, а в качестве последнего слоя использовать ламинирующий слой.
Специалисты Intel выделили ряд проблем, связанных с созданием соединений между чиплетами:
- сложный процесс бондинга кристаллов;
- низкая пропускная способность процесса производства;
- коробление кристаллов;
- качество интерфейса;
- сложный подбор материала пленки для крепления кристалла;
- смещение кристаллов;
- совмещение переходных отверстий и контактных площадок кристалла.
Еще одно решение предложила компания IBM – технологию гетерогенной интеграции DBHi (direct bonded heterogeneous integration). Различия между EMIB от Intel и DBHi от IBM:
в EMIB на чиплетах расположены два типа бампов (C4 и C2), а на мосту их нет, в то время как для DBHi на чиплетах сформированы бампы типа C4, а на мосту – C2 (рис. 6);
в EMIB мост встраивается в полость подложки, а затем ламинируется сверху другим слоем, что образует очень сложную конструкцию. В DBHi подложка представляет собой обычную наращиваемую подложку с полостью сверху подложки.
Процесс бондинга по технологии DBHi довольно прост (см. рис. 6). Сначала соединяют чип 1 и мост с использованием непроводящей пасты (NCP – nonconductive paste) и термокомпрессии (TCB – thermal compression bonding). Затем соединяют чип 2 и мост также с помощью NCP и TCB. Потом размещают всю конструкцию (чип 1 + мост + чип 2) на органической подложке с полостью и выполняют стандартный процесс сборки Flip-Chip с оплавлением.
Жесткие мосты от Intel и IBM либо встраиваются в органическую подложку, либо располагаются на ней. Существует еще один вид жесткого моста – мост, встроенный в эпоксидный формовочный компаунд (EMC) с разветвлением на выходе (fan-out). В 2020 году компания Applied Materials разработала и запатентовала конструкцию такого моста, а компания TSMC в том же году анонсировала аналогичные решения – интегрированное локальное межсоединение типа fan-out (InFO_LSI – integrated fan-out local silicon interconnect) и локальное межсоединение «чип-на-пластине-на-подложке» (CoWoS_LSI – Chip-on-Wafer-on-Substrate local silicon interconnect) (рис. 7).
Кроме того, такие компании, как Unimicron, ASE, Amkor, SPIL, IME, предлагают собственные решения на основе жестких мостов.
Гибкий мост
Гибкий мост представляет собой RDL-слой, состоящий из металлических проводников с мелким L/S/H-шагом, расположенных в диэлектрическом полимере, например, в полиимидной пленке. Такой мост был впервые создан компанией SUN Microsystems в 2004 году.
Эта технология нашла применение в высокоскоростных и высокочастотных приложениях, где в качестве диэлектрического слоя используется жидкокристаллический полимер (LCP – liquid crystal polymer).
Процесс сборки гибкого моста прост и похож на процесс, который применяется в технологии DBHi от IBM (рис. 8). Однако здесь бампы C4 и C2 располагаются на самом чиплете, как в случае EMIB. Наиболее сложной проб-
лемой в работе с гибкими мостами является процесс их бондинга к чиплету.
Заключение
Перспективными технологиями создания межсоединений и гетерогенной интеграции чиплетных систем являются жесткие и гибкие мосты.
Для жестких мостов слои перераспределения (RDL) создаются на кремниевой подложке. Жесткие мосты встраиваются в органическую подложку корпуса, как, например, в случае EMIB и DBHi, или в эпоксидный формовочный компаунд (EMC) с разветвлением на выходе (Applied Materials, TSMC, Unimicron, ASE, Amkor, SPIL, IME).
В случае гибких мостов RDL-соединения состоят из проводящих слоев и полиимидных диэлектрических слоев. Для высокочастотных приложений, таких как 5G, вместо полиимдного слоя рекомендуется применять жидкокристаллический полимер (LCP).
ЛИТЕРАТУРА
Lau J.H. Bridges for chiplet design and heterogeneous integration packaging // Chip Scale Review. January-February, 2022. PP. 21–28.
Отзывы читателей
