当芯片大小超过2500mm²，造芯片的机器都处理不了时…

这两年“先进封装”被聊得很多。“封装”大概可以类比为对日用品打包装盒；保护电路芯片免受外界环境的不良影响。当然芯片封装还涉及到固定、散热增强，以及与外界的电气、信号互联等问题。而“先进封装”的核心还在“先进”二字上。

如果要量化，那么或许将bump pitch作为指标是比较合理的。所谓的bump pitch凸点间距，一般是用以形容芯片的数据I/O的，芯片需要更多的数据通讯“点”才能实现更高的传输效率。那么这些“点”之间的间距、密集程度，自然成为衡量数据通讯效率的关键。而先进封装就某个层面来看，也是bump pitch在缩小的过程。今年的《电子工程专辑》杂志将有一期封面故事是详谈先进封装的。本文不再对此多做赘述。

现在我们常说的“先进封装”更多的就是在指代die之间的3D堆叠或2.5D封装。而且这些封装方式也事实上实现了bump pitch相当程度的缩减。

一般的2.5D封装也就是指，将一大片die切成一个个小die（或叫chiplet），后将这些小die放在interposer（中介层）上（当然这只是2.5D封装的某一类方案）。这是在如今的die越做越大，大到良率低、成本过高之时的某种解决方案。

对die进行切分以后，整颗芯片就能做得非常非常大，而且利于做异构集成。去年的Intel Architecture Day上，Intel发布了面向数据中心的GPU芯片Ponte Vecchio，从照片看起来就相当巨大——这其中就有2.5D封装的功劳。虽然这颗芯片的2.5D封装并没有用interposer，而是另一种叫silicon bridge的方案。

Intel数据中心GPU，Ponte Vecchio

越做越大的interposer

此前在谈MCM GPU的时候，我们提到过一个词叫reticle limit，可理解为lithography设备可处理的极限尺寸。也就是说即便不考虑良率和成本问题，以现有装置，一片die的尺寸再大也是有极限的。这个限制大约是858mm²。

当代常见芯片中的大die，以英伟达的GPU芯片Geforce RTX 3090为代表，其die size已经达到了628mm²。这其中虽然还有做大的空间，但显然一味的做大die已经不是个办法。所以将die切成chiplet，再封装起来的方案就变得很流行了。

台积电CoWoS封装，就如前文所述是将多个chiplet放在interposer上。这不就解决了reticle limit的尴尬了吗，虽然这其中还涉及到很多复杂的工程问题。

CoWoS技术发展至今也有些年头了，这项技术最早是从2012年就开始推行的。这是个2.5D晶圆级多芯片封装技术，能够实现比较高的互联密度和性能。其上的每个die（或chiplet）是通过micro-bump键合到interposer之上的。

举个采用CoWoS封装颇具代表性的产品例子，Pascal架构的英伟达Tesla P100 GPU（2016年）。这款GPU芯片，主体部分是GP100图形计算die，与此同时周围有4颗HBM2存储堆栈（三星的HBM2颗粒），就是通过2.5D CoWoS技术共同封装于一片较大的silicon interposer之上的。

来源：System Plus Consulting

不过这其中也涉及到一个问题，interposer之上的die通过叠加自然可以让整个芯片做得很大，但这也意味着interposer本身需要做得很大才行。而interposer作为包含电路的层级，当然也会受到工艺的限制。台积电的第一代CoWoS-1，所用的interposer尺寸已经达到大约800mm²，十分接近reticle limit。

所以interposer自身的尺寸也成为一个必须解决的问题，尤其是在异构集成对芯片大小越来越贪婪的当下。

2500mm²的面积

台积电说基于CoWoS的芯片产品，已经应用在了不少超级计算机上——包括那些全球TOP 500超算。台积电表示，2020年TOP 500超算中有超过一半的算力，是来自于基于CoWoS-S封装技术的芯片。对于需要大规模堆砌算力、存储资源的芯片而言，HPC、AI等的确都是这类技术的重要应用场景。

经过数次迭代，去年台积电发布了第五代CoWoS封装技术CoWoS-S5（CoWoS-S系列为silicon interposer硅中介，有别于CoWoS-R），interposer的尺寸达到了2500mm²（注意这并非最终封装后的芯片尺寸），也就是三倍于reticle limit的面积。

台积电是在去年的ECTC（IEEE电子元件及技术会议）上展示的这项技术。CoWoS-S5的主要特性包括iCap（台积电的PDN供电网络）、新的互联堆栈、新的TSV（硅通孔）结构，以及更好的TIM（热界面材料）。

来源：Wikichip

在ECTC之上，台积电展示的是一枚由11个die组成的大型芯片。中间是两颗比较大的SoC，以及1颗较小的die（图片中最右侧的长条die）；四周用了8个HBM2E存储堆栈（128GB？）。承载这些die的interposer尺寸达到了58.9x44.1mm（2597.49mm²）。

台积电表示，应用了HBM2E存储的版本已经进行了生产验证，而可应用HBM3的方案尚在开发中。

这代2.5D封装的一些改进

有在关注台积电CoWoS技术的读者应该知道，interposer要突破reticle limit的方式是采用全幅的mask拼接。两个mask组合，两者彼此会有一部分的重合——重合部分的RDL（redistribution layer）互联部分需要做到一致。如此一来，通过拼接就能构成连续的线路。

CoWoS此前迭代也是这么做的，从一代的800mm²，做到二代1200mm²、1700mm²（前两年有报道说台积电发布全球最大的CoWoS interposer就是1700mm²）。对于CoWoS-S5而言，尺寸3倍于reticle limit也就不但需要2个全幅mask拼接了。台积电的方案是4份mask拼接。

4个mask，每个都需要有与另外三者重合的部分，构成最终interposer过曝的拼接边缘部分，达成当代最大的interposer尺寸。

此外，除了面积做大，CoWoS-S5也用了新的金属堆栈。因为interposer之上的die增多以后，尤其是逻辑die，线路复杂性也会提升。而且前文也提到HBM2E存储堆栈应用于这代interposer已经得到验证。HBM2E的传输速率为3.2GT/s。

未来要采用HBM3的话，速率提升至4GT/s，信号完整性可能会成为一大问题。所以CoWoS-S5引入新的金属堆栈、新的亚微米层（双镶嵌线路）——至多5个这样的亚微米层。台积电表示，新的金属堆栈能够降低金属电阻以及via接触电阻超过50%。

与此同时，CoWoS-S5也引入了iCap（integrated capacitor）——嵌入式深槽电容（DTC）。台积电最初是于2019年发布的iCap，其电容密度能够达到最高340 nF/mm²，相比于此前的HD-MiM（high-k高密度metal-insulator-metal），有着非常高的提升。单个Si interposer可达成的总电容值为64μF。

CoWoS-S5封装技术的最后一个重点，也在于引入新的TIM热界面材料。CoWoS有顶盖和环形封装两种。在环形封装中，die上表面是与散热器直接接触的；而顶盖封装方案下，散热铁盖要通过热界面材料与die接触。凝胶型的TIM导热系数通常为10W/K，台积电认为这对于HPC、AI应用是不够的。所以CoWoS-S5为此引入了新型TIM，据说导热系数可超过20W/K。

从CoWoS大致可以窥见先进封装的未来——当然此处我们尚未探讨可与CoWoS做配合的其他3DFabric封装方案。另外2.5D封装方案并不仅有interposer这一种。文首提到Intel发布的数据中心GPU大芯片Ponte Vecchio，其2.5D封装采用的是更为经济的silicon bridge方案（Intel的EMIB封装）。这种“硅桥”是直接嵌入在封装基板中的，而不需要interposer，成本会比interposer方案明显更低。

值得一提的是，在台积电、Intel等厂商的宣传中，bump pitch缩小是此类先进封装工艺“先进”程度非常重要的一项指标。更多先进封装相关技术，未来《电子工程专辑》杂志将对此有更系列的探讨和报道。