芝能智芯出品随着摩尔定律的放缓和半导体行业面临的挑战不断增加，芯片技术已经成为推动集成电路（IC）进步的关键方法之一。
尤其是具有明确功能的小芯片，可以与其他芯片合并到单个封装或系统中。芯片之间的密集互连可确保快速、高带宽的电气连接。
本文探讨了芯片技术的最新发展，尤其是在中介层和3D集成方法方面的创新，以将间距缩小到1µm以下。
备注：本文参考IMEC的文章《Chiplets: Piecing Together the Next Generation of Chips (Part I) Bridging the gap: innovations in chiplet interconnect technolgy》
Chiplet芯片技术被《麻省理工科技评论》评为2024年十大突破性技术之一，在半导体领域取得了重大进展。这是小型模块化芯片，具有特定功能，例如可以混合搭配成完整系统的CPU或GPU。
这种类似乐高积木的方法使制造商能够灵活地以较低成本组建新芯片设计系统，并提高效率和性能。芯片实现优化的一种方法是战略性地定制技术。例如，IO和总线芯片使用可靠的传统节点，而计算芯片则采用尖端技术以实现峰值性能。内存芯片采用新兴内存技术，确保能够适应各种半导体需求。
● 分割大型单片系统芯片：解决摩尔定律放缓的问题
基于芯片的设计解决了过去几十年来推动半导体行业发展的摩尔定律的放缓问题。芯片制造商探索了使晶体管更小、将更多元件塞入芯片的方法，从而产生了规模可观的单片系统级芯片（SoC）设计。
手机是单片设计成功的证明，将数学函数、显示、无线通信、音频等全部集成到一个100mm²的芯片中。然而，进一步的扩展成本极高，而性能优势却微乎其微。因此，将大型、复杂的SoC分成更小的芯片，并将它们连接在一起，为特定应用构建一个系统。
● 汽车行业的芯片集应用：灵活性和效率
汽车行业是采用芯片集的理想选择，它提供了一种灵活的电子架构，以基本功能芯片集为基础，并辅以特定组件，包括用于自动驾驶、传感器融合和其他电子功能的芯片集。与升级单片SoC的漫长过程相比，模块化方法缩短了上市时间，可以在车辆生产线的整个生命周期内更换或更新芯片集。
此外，汽车销售量比手机等的销量要小。因此，为每种车型重新设计单片SoC将导致高昂的工程成本。芯片集的灵活性还可以帮助汽车制造商使用已在其他汽车设计中得到验证的芯片来满足可靠性和安全性要求。
芯片能否成功跟上摩尔定律，很大程度上取决于芯片在一个封装内能被放置得有多近，以确保它们之间快速、高带宽的电连接。在2.5D集成中，芯片通过硅、有机聚合物、玻璃或层压板等公共基板连接。
硅中介层是一种成熟的高性能应用技术，具有最精细的间距和良好的热电性能，但它们的成本和复杂性也更高。因此，有机基板作为替代方案得到了研究和优化。Imec提供的硅“桥”和超精细再分布层（RDL）互连技术是两种替代方案。
● 3D片上系统：混合键合实现亚微米间距
某些应用（如高性能计算）可能需要高性能、更小的外形尺寸或更高级别的系统集成，更倾向于采用完整的3D方法。晶圆到晶圆混合键合是集成3D-SoC到微米互连密度级别的关键技术。Imec的专有方法使用SiCN作为键合电介质，将互连间距缩小到700nm，未来可能达到400nm和200nm。
● 微凸块与混合键合：不同互连技术的比较
对于2.5D技术，使用小焊料凸块将芯片放置在中介层顶部，从而建立电气和机械连接。工业上的微凸块间距通常达到50µm到30µm之间。Imec正在研究如何将间距减小到10µm甚至5µm。
与2.5D中使用的微凸块相比，3D堆叠中的混合键合产生的间距要小得多。那么，是否可以在任何地方使用混合键合呢？
事实上，在芯片到晶圆的方法（基于硅）中，芯片可以键合到硅中介层，间距达到几微米。不是200nm，因为目前最好的芯片到晶圆放置精度接近250nm，而前沿的晶圆到晶圆键合可以降低到100nm的叠加精度。键合设备和相关工艺的改进预计将进一步将这些数字降低50%。不过，混合键合涉及额外的加工步骤，例如表面活化和对准，这可能会影响制造成本。
晶圆对晶圆键合、芯片对晶圆键合和微凸块将在成本、间距、兼容性和互操作性之间共存。在2.5D中，芯片通常来自不同的供应商，并且已经经过了一系列测试和操作。微凸块将成为首选，因为它们提供了一种不需要表面处理的标准化方法。此外，对于有机RDL，微凸块仍然是首选，因为有机聚合物在加热时会膨胀得更多，并且无法充分平坦化。
● 互连技术的未来方向：挑战与机遇
随着规模化技术变得越来越复杂，设计和加工成本也越来越高，对于规模较小的应用来说，在最先进的技术节点中开发专用SoC变得越来越具有挑战性。将功能和技术节点分成不同的芯片组更具成本效益，并且比采用尖端工艺技术的巨型芯片具有空间和性能优势。
模块化方法可以解决多芯片封装的复杂性和成本问题，但这种模式转变带来了特定的技术挑战。尺寸只是挑战之一。芯片研究的很大一部分致力于缩小互连和/或探索将各个部件组合在一起的不同概念。将芯片堆叠在一起时，散热问题和电力输送变得至关重要。最后，需要进一步的标准化工作，以确保不同芯片之间的兼容性和通信。
芯片技术代表了半导体行业的未来发展方向。通过模块化设计和先进的互连技术，芯片不仅解决了摩尔定律放缓的问题，还为各种应用领域提供了更灵活、更高效的解决方案。
从2.5D中介层到3D片上系统，从微凸块到混合键合，芯片技术的创新不断推动着半导体技术的进步。随着技术的进一步发展，芯片将在更多领域中得到应用，推动电子设备性能的不断提升。
参考文献
《麻省理工科技评论》，2024年十大突破性技术
Imec，芯片技术研究报告
3DInCites，芯片集成技术文章
