即使采用所有最新技術并采用 3.5D 封裝，控制熱量仍然是一項挑戰(zhàn)，但將熱效應與其他組件隔離的能力是當今可用的最佳選擇，并且可能在未來很長一段時間內(nèi)都是如此。不過，還有其他問題需要解決。即使是2.5D也不容易，而且很大一部分 2.5D 實現(xiàn)都是由財力雄厚的大型系統(tǒng)公司定制設計的。

剩下的一大挑戰(zhàn)是收斂時序，以便信號在幾分之一秒內(nèi)到達正確位置。隨著芯片中添加更多元素，這變得越來越困難，而在 3.5D 或 3D-IC 中，這可能非常復雜。

Synopsys研發(fā)總監(jiān) Sutirtha Kabir 表示：“時序最終是關鍵。我們無法保證無論在何種溫度下，您都可以使用相同的時序庫。因此，問題在于您需要進行多少熱感知和紅外感知時序？這些都是大型系統(tǒng)。您必須確保您的簽核是一致的。會出現(xiàn)兩件事。有很多多物理效應都聚集在一起。是的，您可以按照傳統(tǒng)方式一次完成一個簽核，但效果不會很好。您需要弄清楚如何同時解決這些問題。最終，您是在進行一個設計。它不是一個用于熱、一個用于紅外、一個用于時序的設計。第二件事是數(shù)據(jù)正在激增。您如何高效地處理數(shù)據(jù)，因為您不能等待數(shù)天的運行、模擬和分析？”

物理封裝這些設備也不容易?！斑@里的挑戰(zhàn)實際上是這些具有不同厚度和不同熱膨脹系數(shù)的各種芯片的熱、電和機械連接，”英特爾的 O‘Buckley 說?！耙虼?，對于三個芯片，您擁有芯片和有源基座，并且它們被大大減薄以使其能夠組合在一起。然后 EMIB 位于基板中。總是需要進行大量的熱機械鑒定工作，不僅要管理封裝，還要確保在最終封裝中（當它通過系統(tǒng)級卡連接時進行二級封裝時）這個東西保持在一起。”

根據(jù)對速度的要求，互連和互連材料可能會發(fā)生變化。Arm 的 DeLaCruz 表示：“到目前為止，混合鍵合為您提供了最佳的信號和功率密度。它還為您提供了最佳的熱導率，因為您不需要在芯片之間填充底部填充物，這是一個相當大的障礙。這很可能是行業(yè)的發(fā)展方向。這只是一個擁有生產(chǎn)基地的問題。”

多年來，混合鍵合一直用于使用晶圓對晶圓連接的圖像傳感器?！凹值牟糠质沁M入邏輯空間，在那里你要從晶圓對晶圓轉(zhuǎn)移到芯片對晶圓工藝，這更為復雜，”DeLaCruz 說?！半m然目前成本會更高，但這只是暫時的問題，因為沒有太多的安裝基礎來支持它并降低成本。實際上沒有昂貴的材料或設備成本?！?/p>

所有這些都朝著從菜單中選擇芯片并快速將它們連接到某種經(jīng)過驗證的架構的目標邁進。這可能需要數(shù)年時間才能實現(xiàn)。但商用芯片將在未來幾年出現(xiàn)在先進設計中，最有可能出現(xiàn)在帶有定制處理器堆棧的高帶寬內(nèi)存中，未來將有更多芯片走這條路。

這至少部分取決于設計、制造和測試流程的標準化程度?！拔覀兛吹胶芏?2.5D 客戶能夠保護硅中介層，”Amkor Technology 設計中心副總裁 Ruben Fuentes 表示。 “這些客戶希望將他們的芯片放在中介層上，然后將整個模塊放在倒裝芯片基板封裝上。我們也有客戶說他們不想使用硅中介層，或者無法保護它們。他們考慮/審查使用 S-SWIFT 或 S-Connect 的 RDL 互連，后者在非常密集的區(qū)域用作中介層。”

但是，這些領先設計中至少有三分之一僅供內(nèi)部使用，其余設計僅限于大型處理器供應商，其余市場尚未趕上。一旦趕上，這將推動規(guī)模經(jīng)濟，并為更完整的封裝設計套件、商業(yè)芯片和更多定制選項打開大門。

“大家通常都朝著同一個方向發(fā)展，”Fuentes 說?！暗⒎撬袞|西都一樣高。HBM 是預封裝的，比 IC 更高。HBM 內(nèi)部可以堆疊 12 或 16 個 IC。從共面性和熱角度以及不同層上的金屬平衡來看，這會產(chǎn)生影響。因此，現(xiàn)在供應商很難處理所有這些數(shù)據(jù)，因為突然間你擁有了比標準封裝數(shù)據(jù)庫大得多的龐大數(shù)據(jù)庫。我們看到了橋梁、S-Connect、SWIFT，然后是 S-SWIFT。這是一個新領域，我們看到封裝工具的性能差距。這里需要做很多工作，但軟件供應商一直非常積極地尋找解決方案。此外，這些封裝需要布線。自動布線有限，因此仍然需要大量交互式布線，因此需要大量時間?！?/p>

圖4：封裝路線圖分別顯示了模塊和芯片的橋接和混合鍵合連接。資料來源：Amkor Technology

3.5D 面臨的關鍵挑戰(zhàn)是經(jīng)過驗證的可靠性和可定制性 — 這些要求看似相互矛盾，而且超出了任何一家公司的控制范圍。實現(xiàn)所有這些目標需要四個主要部分。

EDA 是這個難題的第一個重要部分，而挑戰(zhàn)不僅僅局限于單個芯片?！癐C 設計師必須同時考慮很多事情，比如熱、信號完整性和電源完整性，”Synopsys 技術產(chǎn)品管理總監(jiān) Keith Lanier 表示?！暗酥?，在人們的工作方式方面還有一種新的模式。傳統(tǒng)封裝人員和 IC 設計師需要密切合作，才能使這些 3.5D 設計取得成功?！?/p>

這不僅僅是用相同或更少的人做更多的事情。它還涉及用不同的人做更多的事情?！斑@需要理解架構定義、功能要求、約束，并對其進行明確定義，”Lanier 說?！暗瑫r也需要可行性，包括分區(qū)和技術選擇，然后是原型設計和平面規(guī)劃。這需要生成大量數(shù)據(jù)，并且需要分析驅(qū)動的探索、設計和實施。而人工智能將需要幫助設計師和系統(tǒng)設計團隊管理這些 3.5D 設計的復雜性?！?/p>

工藝/裝配設計套件是第二個關鍵部件，這很可能由代工廠和OSAT共同承擔?！叭绻蛻粝胍粋€用于 2.5D 封裝的硅中介層，那么制造中介層的代工廠就應該提供 PDK。我們將為我們所有的先進技術提供 PDK，例如 S-SWIFT 和 S-Connect 封裝，”Amkor 的 Fuentes 說道。

設定現(xiàn)實的參數(shù)是難題的第三部分。雖然處理元件的類型和一些模擬功能可能會發(fā)生變化——尤其是那些涉及電源和通信的功能——但大多數(shù)組件將保持不變。這決定了哪些可以預先構建和預先測試，以及封裝的速度和難易程度。

“許多正在部署的標準，如 UCIe 接口和 HBM 接口，正在朝著 20% 定制、80% 上架的方向發(fā)展，”英特爾的 O’Buckley 表示?！暗覀兘裉爝€沒有達到這個水平。在我們的客戶部署這些產(chǎn)品的規(guī)模上，花費額外時間優(yōu)化實施的經(jīng)濟效益只是小數(shù)點后一位。它沒有利用 80/20 標準。我們會到達那里。但是由于這些設計所需的成本和規(guī)模，大多數(shù)設計都數(shù)不過來。在基于標準的芯片基礎設施成熟之前，那些想在沒有規(guī)模的情況下做到這一點的公司進入的門檻太高了。不過，這還是會發(fā)生的?！?/p>

確保流程一致是難題的第四部分。工具和單個流程無需改變?！翱蛻魧τ谔囟üぞ叩慕Y果有一個‘目標’，這通常是計量工具測量的關鍵尺寸，”Tignis 營銷副總裁 David Park 說道。 “只要有某種‘測量’可以確定某種結果的好壞，這通常是工藝步驟的結果，我們就可以預測不良結果——工程師必須采取一些糾正或預防措施——或者我們可以實時優(yōu)化該工具的配方，以使結果保持在他們想要的范圍內(nèi)。”

帕克指出，有一種控制輸入的秘訣?！肮ぞ邥鏊鼞撟龅氖拢彼f?！叭缓竽銣y量輸出，看看你偏離了可接受的輸出有多遠?！?/p>

挑戰(zhàn)在于，在 3.5D 系統(tǒng)內(nèi)部，可接受的輸出仍在定義中。許多流程具有不同的容差。定義什么是足夠一致的需要廣泛了解所有部件在特定工作負載下如何協(xié)同工作，以及需要調(diào)整的潛在弱點在哪里。

“這里的問題之一是，隨著密度越來越高，銅柱越來越小，銅柱和基板之間所需的空間量必須得到嚴格控制，”Promex 總裁兼首席執(zhí)行官 Dick Otte 表示?！按嬖跊_突——不是因為你制造芯片的方式，因為芯片上通常有銅柱——而是與基板有關。許多基板技術本身并不是平坦的。玻璃也存在同樣的問題。你有一塊非常漂亮的平坦玻璃。你要做的第一件事是鋪上一層金屬，然后對其進行圖案化。然后你鋪上一層電介質(zhì)，突然你就得到了一個導體所在的腫塊?，F(xiàn)在，你要把接觸點放在哪里？所以你總是有一個計劃，那就是所有銅柱都進入的接觸點。但如果我只需要一層，而不需要三層呢？”

在過去十年中，芯片行業(yè)一直在努力尋找一種平衡更快處理速度、特定領域設計、有限的光罩尺寸和 SoC 擴展的巨大成本的方法。在研究了幾乎所有可能的封裝方法、互連、電力輸送方法、基板和介電材料之后，3.5D 已成為領先者——至少目前如此。

這種方法為芯片行業(yè)提供了一條共同主線，可以在此基礎上開始開發(fā)封裝設計套件、商用芯片，并填補整個供應鏈中缺失的工具和服務。這最終是否會成為全 3D-IC 的跳板，或成為更有效地使用 3D 堆疊的平臺，還有待觀察。但在可預見的未來，大型芯片制造商已經(jīng)匯聚在一起，走上了一條前進的道路，以提供數(shù)量級的性能改進和控制成本的方法。未來幾年，業(yè)內(nèi)其他公司將努力鋪平這條道路。