如何选择正确的芯片互连方式?

谢龙


我是只问道芯,第二懂芯片行业的90后,累计投稿收入5000+,很荣幸和你分享我对这个问题的思考。


我认为这个问题需要分解成两个方面,一个是在芯片制造层面芯片内部互联,另一个是在封装层面芯片间的互联。


一、芯片制造层面互联方式选择

在集成电路早期,使用铝线作为连接线。但是随着晶体管逐渐变小,铝的电阻率较高的问题开始暴露。在铝导线上损耗太多,因此人们需要寻找电阻率更低的材料来作为导电材料。到了1997年,IBM提出使用铜作为连接线的方案。因为铜的电阻率更低,电流在上面流动损耗更小。

但是到了现在,工艺进入到10nm,铜线的问题又开始暴露出来。在现在的电路中,就在15层的布线层中,铜线绕的距离可以达到上万米。随着晶体管尺寸变小,这些导线也需要变得更细。有的布线层过于纤细,电流会对其造成冲击。铜在更小尺寸上,更容易遇到电迁移的问题。所谓电迁移是指当电流流过时,容易将金属原子都挤到旁边去,这样就容易造成导线断路的情况。这是铜材料的问题。

就在去年底,因特尔宣布其在10纳米工艺中,引入钴材料作为引线材料。在芯片的底层比较纤细的线路可以用钴材料来替代铜材料。虽然钴的电阻率高于铜,但是钴更不容易发生电迁移。因此这就是当前芯片内部互联的方式。


二、芯片间的互联

人们对于芯片封装要求更低成本、更快上市时间、更低损耗,造成封装形式多种多样。随着封装形式的丰富多彩,就带来如何选择的问题。


在芯片互联领域,这也是一项复杂的工作。目前可以选择的互联方式有:有机、硅、玻璃中介层(interposer),以及从多层布线去连接不同芯片的桥接(bridge),同时还有各种各样的扇出(fan-out)方法,可达到与中介层和bridge同样的高性能与低功耗。


首先介绍第一种互联有机中介层互联。三星、京瓷通过使用标准环氧树脂薄膜制造工艺的有机中介层。这里的关键是热膨胀系数是否相互匹配。


第二种硅中介层。这是最传统的一种方式。有人说有机中介层可以取代硅中介层。但是要考虑成本就是了。


还有玻璃中介层。因为玻璃的热膨胀系数和硅匹配,因此在高频应用时使用玻璃中介层。

关于桥接,这是一种低成本的连接方式。因特尔拥有嵌入式多芯片互联桥(EMIB)技术。

关于Fan-out,也有很多种技术选择:chip first、chip last、die up、die down。也有倒装芯片(flip-chip)、系统级封装(system-in-package)和衬底上的扇出(fan-out on substrate)。


芯片间的互联问题已经成为封装的核心问题,但这个问题目前还没有明确答案,未来仍然需要进一步确定。


综合来看,芯片内的互联在材料上的选择是个问题,而在芯片间的互联,在互联方式上的选择种类繁多,未来仍然需要探索。

如果你对于互联方式有补充或是评论,欢迎留言回复。

我是只问道芯,第二懂芯片行业的90后,稿费累计5000+,期待你的关注哦


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