中國粉體網(wǎng)訊 在半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程中,,摩爾定律長期引領著芯片性能的提升與規(guī)模的擴張,。然而,隨著晶體管尺寸不斷逼近物理極限,量子隧穿效應等問題日益凸顯,,傳統(tǒng)技術路徑遭遇瓶頸,。玻璃通孔(TGV)技術憑借獨特優(yōu)勢,或成為半導體突破摩爾定律束縛,、開啟新增長曲線的關鍵力量,。
2.5D/3D封裝工藝中的TSV技術
我們都知道,要實現(xiàn)芯片性能的提升就需要堆疊更多的晶體管,,根據(jù)“摩爾定律”,,芯片上容納的晶體管數(shù)目每18到24個月增加一倍。過去數(shù)十年,,伴隨“摩爾定律”推進,,單位面積晶體管密度持續(xù)攀升,驅(qū)動芯片不斷向微型化演進,,催生出智能手機,、筆記本電腦等一系列便攜式電子產(chǎn)品,深刻重塑了大眾的生活與消費形態(tài),。
但“摩爾定律”終有觸及天花板的一天,。當晶圓制造工藝演進到14nm、7nm,、5nm,直至當下最前沿的3nm,,其有效性愈發(fā)受到嚴峻挑戰(zhàn):工藝推進舉步維艱,,性能提升陷入瓶頸,成本卻如脫韁野馬般大幅飆升,。
近兩年來,,AI浪潮席卷全球,AI服務器對算力的需求呈井噴式爆發(fā),。強大算力的背后固然需要強勁芯片支撐,,但提升芯片性能是否只能依賴光刻工藝的持續(xù)突破?答案是否定的,。當前芯片已高度微型化,,且服務器對輕薄化的要求遠低于消費電子,一條全新思路應運而生——通過堆疊多顆芯片實現(xiàn)算力躍升,。打個不是很形象的比喻就是一節(jié)火車頭不夠用那就多加兩節(jié),,猶如詹天佑當年的解決思路。
由此產(chǎn)生了問題,,芯片堆疊如何實現(xiàn),?
目前先進封裝分為兩大類:一、基于XY平面延伸的先進封裝技術,主要通過重布線層工藝(RDL)進行信號的延伸和互連,;二,、基于Z軸延伸的先進封裝技術,主要是通過硅通孔(TSV)進行信號延伸和互連,。顯然,,芯片堆疊屬于第二種。通過TSV技術,,可以將多個芯片進行垂直堆疊并互連,。按照集成類型的不同分為2.5D TSV和3D TSV,2.5D TSV指的是位于硅轉(zhuǎn)接板上的TSV,,3D TSV是指貫穿芯片體之中,,連接上下層芯片的TSV。在3D TSV中,,芯片相互靠近,,所以延遲會更少,且互連長度縮短,,能減少相關寄生效應,,使器件以更高的頻率運行,從而轉(zhuǎn)化為性能改進,,并更大程度的降低成本,。TSV的尺寸范圍比較大,大的超過100um,,小的小于1um,。隨著工藝水平提升,TSV可以越做越小,,密度越來越大,。
基于TSV技術的系統(tǒng)級封裝 來源:萬聯(lián)證券研究所
TGV:TSV的升級
雖然在先進封裝領域TSV技術較為成熟,但其存在兩個主要問題,。
成本高:材料上需高純度硅晶圓及特殊絕緣,、金屬填充材料,損耗大,;工藝復雜,,含深孔刻蝕、金屬填充等精細環(huán)節(jié),,設備精度要求高,,采購及維護成本驚人;良率低,,缺陷問題易導致成本增加,。
電學性能差:硅材料屬于半導體材料,,傳輸線在傳輸信號時,信號與襯底材料有較強的電磁耦合效應,,襯底中產(chǎn)生渦流現(xiàn)象,,造成信號完整性較差(插損、串擾等),。
相較硅基轉(zhuǎn)接板,,玻璃轉(zhuǎn)接板有諸多優(yōu)勢:
一、低成本:受益于大尺寸超薄面板玻璃易于獲取,,以及不需要沉積絕緣層,,成本大大降低;
二,、優(yōu)良的高頻電學特性:玻璃材料是一種絕緣體材料,,介電常數(shù)只有硅材料的1/3左右,損耗因子比硅材料低2~3個數(shù)量級,,使得襯底損耗和寄生效應大大減小,,可以有效提高傳輸信號的完整性;
三,、大尺寸超薄玻璃襯底易于獲�,。嚎祵帯⑿裣踝右约靶ぬ氐炔AS商可以量產(chǎn)超大尺寸(大于2m×2m)和超�,。ㄐ∮�50μm)的面板玻璃以及超薄柔性玻璃材料,;
四、工藝流程簡單:不需要在襯底表面及TGV內(nèi)壁沉積絕緣層,,且超薄轉(zhuǎn)接板不需要二次減�,。�
五,、機械穩(wěn)定性強:當轉(zhuǎn)接板厚度小于100μm時,翹曲依然較小,。
TGV技術遠期成長空間廣闊
英偉達的H100加速計算卡采用臺積電CoWoS-S 2.5D封裝技術,,在硅轉(zhuǎn)接板上實現(xiàn)7組芯片互連。AMD(超威半導體)MI300采取類似布局,,以CoWoS工藝在硅轉(zhuǎn)接板上封裝6顆GPU,、3顆CPU及8組HBM內(nèi)存。國內(nèi)方面,,壁仞科技BR100系列GPU也采用CoWoS-S封裝,,將2顆計算芯粒互連,,實現(xiàn)算力的跨越式提升,。
CoWoS封裝的核心之一為硅轉(zhuǎn)接板及TSV工藝,,但其存在成本高和電學性能差等不足,而玻璃轉(zhuǎn)接板及TGV工藝具有低成本,、易獲取,、高頻電學特性優(yōu)良等特性,因此,,TGV有望作為前者替代品,,成為先進封裝核心演進方向之一,疊加AI浪潮之下加速計算芯片需求高增,,TGV遠期成長空間廣闊,。其實,不止可用于轉(zhuǎn)接板,,搭配TGV技術,,玻璃基板在光電系統(tǒng)集成領域、MEMS封裝等領域也有巨大的應用前景,,可以作為IC載板使用,,以在部分領域替代現(xiàn)在主流的有機載板。
參考來源:
鐘毅.芯片三維互連技術及異質(zhì)集成研究進展
陳俊偉.玻璃在5G通訊中的應用
東方證券《先進封裝持續(xù)演進,,玻璃基板大有可為》
(中國粉體網(wǎng)編輯整理/月明)
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