本文來(lái)自微信公眾號(hào)“半導(dǎo)體行業(yè)觀察”，內(nèi)容由半導(dǎo)體行業(yè)觀察（ID：icbank）編譯自IBM，謝謝。
設(shè)計(jì)和制造革命性的半導(dǎo)體只是一個(gè)開(kāi)始——要將半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮幽K元件，它們需要盡可能安全、高效和經(jīng)濟(jì)地封裝。
如果您讀過(guò)有關(guān)半導(dǎo)體的任何內(nèi)容，您可能看過(guò)一張有人舉起晶圓的照片。它們是包含數(shù)百個(gè)未來(lái)計(jì)算機(jī)芯片的硅盤。但你不能只是切割這些半導(dǎo)體芯片并將它們插入電路板。它們需要采用能夠保證其安全、可靠并允許電力有效流過(guò)的材料進(jìn)行包裝。IBM小芯片和先進(jìn)封裝研究首席策略師Dale McHerron表示：“這就是芯片與世界其他地方進(jìn)行通信的方式。”封裝芯片的過(guò)程產(chǎn)生了芯片模塊。
隨著計(jì)算機(jī)芯片多年來(lái)不斷縮小，需要更多的研究來(lái)繼續(xù)盡可能有效地封裝它們。封裝有兩個(gè)重要的研究領(lǐng)域——用于容納芯片的材料，以及如何處理這些材料以構(gòu)建完整的芯片模塊。讓我們把它們分解一下。
芯片封裝材料研究
簡(jiǎn)而言之，芯片封裝提供了計(jì)算機(jī)芯片運(yùn)行的機(jī)械環(huán)境。封裝為芯片提供電源并容納輸入和輸出，使其能夠與計(jì)算系統(tǒng)的其余部分進(jìn)行通信。芯片在運(yùn)行時(shí)也容易變熱，因此封裝旨在保持一定的溫度范圍，以免芯片過(guò)熱。
經(jīng)過(guò)整個(gè)行業(yè)數(shù)十年的反復(fù)試驗(yàn)，許多現(xiàn)代微電子模塊都是圍繞大致相同的材料（稱為有機(jī)基板）構(gòu)建的。大多數(shù)的核心材料是一種名為FR-4的材料，它由編織玻璃纖維和環(huán)氧樹(shù)脂組成，而且環(huán)氧樹(shù)脂也具有阻燃性。FR-4面板通常層壓有一層薄薄的銅箔，這是一種高導(dǎo)電材料。目前正在研究用于芯片封裝的其他材料，例如由玻璃制成的核心，這可以實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸和更小的芯片結(jié)構(gòu)。但這項(xiàng)工作可能還需要數(shù)年時(shí)間才能投入生產(chǎn)。
層壓板的頂部是為封裝中的銅布線而構(gòu)建的層。電介質(zhì)之間的堆積層是由一家名為Ajinomoto的公司制造的，該公司主要以食品包裝而聞名。事實(shí)證明，包裝美味佳肴的過(guò)程與制造有機(jī)層壓板所需的層并沒(méi)有太大不同——至少?gòu)幕瘜W(xué)角度來(lái)看是這樣。但我們不建議食用這些層壓板。
基礎(chǔ)基板材料通常針對(duì)許多不同應(yīng)用的芯片封裝進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。對(duì)于芯片必須在非常熱的情況下運(yùn)行的情況，更多的是如何冷卻設(shè)備，而不是其層壓結(jié)構(gòu)中使用的材料。這是在芯片背面處理的。
該芯片通過(guò)稱為受控塌陷芯片連接（C4）的焊球連接到有機(jī)基板上，這實(shí)際上是IBM幾十年前發(fā)明的。然后，使用液態(tài)環(huán)氧底部填充材料來(lái)隔離球。隨著芯片尺寸不斷縮小，我們需要找到將部件連接在一起的新方法，因?yàn)槟壳癈4球中使用的焊料無(wú)法像芯片的其他部件一樣有效地縮小尺寸。IBM正在開(kāi)創(chuàng)新方法，例如混合鍵合，其中使用銅層和氧化物電介質(zhì)將芯片直接鍵合在一起，無(wú)需中間焊接連接。
當(dāng)縮小芯片尺寸時(shí)，您需要確保所有組件都具有極高的可靠性，因?yàn)閹缀鯖](méi)有發(fā)生故障的空間。各種結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力會(huì)隨著它們變小而發(fā)生變化。隨著人工智能計(jì)算的新進(jìn)步和新形式的芯片設(shè)計(jì)，芯片之間重新需要更多更小的互連，以支持強(qiáng)大的人工智能訓(xùn)練和推理模型。
IBM奧爾巴尼NanoTech Complex封裝研究設(shè)施的大部分重點(diǎn)現(xiàn)在都圍繞著提高可靠性以及減小芯片之間高密度互連所需的銅線尺寸和電介質(zhì)厚度。人們正在研究新的工藝技術(shù)，以設(shè)計(jì)、構(gòu)建和測(cè)試這些更小尺寸的組件。這包括壓力測(cè)試設(shè)備，并確保它們能夠產(chǎn)生每種潛在操作情況所需的信號(hào)強(qiáng)度和電流。部件經(jīng)過(guò)熱循環(huán)，確保它們可以在不同的溫度和濕度水平下工作，并在幾周內(nèi)模擬模塊的整個(gè)使用壽命進(jìn)行測(cè)試。
Chiplet封裝研究
除了傳統(tǒng)的芯片結(jié)構(gòu)之外，IBM研究中心還在研究將人工智能和其他尖端模式的力量帶入生活的新方法。半導(dǎo)體領(lǐng)域的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一是如何將片上系統(tǒng)的各種功能分解為可配置為最好地解決問(wèn)題的設(shè)備。這些被稱為小芯片的設(shè)備可以解鎖強(qiáng)大的新功能，例如將人工智能加速器與多個(gè)內(nèi)存小芯片和單個(gè)輸入輸出設(shè)備堆疊在一起的人工智能設(shè)備，創(chuàng)建一個(gè)可用于推斷最先進(jìn)的人工智能模型的小芯片集。
Chiplet是IBM半導(dǎo)體研究的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域，而如何有效地封裝它們是該工作的重要組成部分。目前，盡管有多個(gè)團(tuán)體支持的建議，但其他公司制造的小芯片如何相互交互還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化。IBM正在研究這些設(shè)備的工作方式，包括設(shè)計(jì)高帶寬互連、如何將硅芯片堆疊在一起、設(shè)備如何保持冷卻以及它們?nèi)绾卧诜庋b中保持足夠的功率。“我們才剛剛開(kāi)始觸及皮毛，”麥克赫倫說(shuō)。
這只是封裝研究革命的開(kāi)始。“當(dāng)CMOS微縮技術(shù)處于鼎盛時(shí)期，你不需要所有這些花哨的封裝——所有的創(chuàng)新都發(fā)生在硅片上，”McHerron說(shuō)。“現(xiàn)在鐘擺正從CMOS微縮創(chuàng)新轉(zhuǎn)向封裝創(chuàng)新，即在給定空間內(nèi)封裝更多硅芯片，而不是僅僅通過(guò)晶體管微縮在硅芯片上封裝更多晶體管。”
麥克赫倫說(shuō)，通過(guò)硅和封裝技術(shù)混合方式的增強(qiáng)，可以提高系統(tǒng)性能。“我們正處于封裝性能的新時(shí)代。”
制造工藝研究
一旦設(shè)計(jì)出新的半導(dǎo)體并在封裝中進(jìn)行了測(cè)試，就需要大規(guī)模生產(chǎn)。還需要在這里進(jìn)行研究和測(cè)試，以確保實(shí)驗(yàn)室中有效的設(shè)計(jì)可以輕松地按照客戶需要的規(guī)模進(jìn)行生產(chǎn)。這是IBM位于加拿大魁北克省南部布羅蒙工廠的工作的一部分。
Bromont為廣泛的客戶生產(chǎn)模塊封裝和測(cè)試，其中包括IBM—Bromont將芯片封裝在IBM Z和P系統(tǒng)中。它也恰好是北美最大的外包半導(dǎo)體組裝和測(cè)試(OSAT)設(shè)施，也是美國(guó)政府信任的設(shè)施。“Bromont在很大程度上是IBM芯片研發(fā)領(lǐng)域的核心人物，”負(fù)責(zé)Bromont研發(fā)和業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)的Etienne Lemieux說(shuō)道。
有人可以通過(guò)多種方式與布羅蒙的研究人員和生產(chǎn)人員一起工作。在某些情況下，客戶可能會(huì)想出他們希望如何封裝芯片的想法，并會(huì)要求Bromont團(tuán)隊(duì)構(gòu)建原型并找出大規(guī)模制造它們的流程。有時(shí)，客戶手上已經(jīng)有了完整的設(shè)計(jì)，但會(huì)尋求IBM的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)提高其可制造性。很少有客戶會(huì)完全空白并指望IBM從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)某些東西，但這種情況是有可能發(fā)生的。然而，在大多數(shù)情況下，工作通常集中在試圖使芯片封裝生產(chǎn)更具成本效益。
對(duì)于大多數(shù)合作，整個(gè)過(guò)程——從聯(lián)系IBM到大規(guī)模交付芯片——可能需要六個(gè)月到兩年的時(shí)間。在此期間，工程師和技術(shù)人員將致力于構(gòu)建對(duì)他們正在使用的設(shè)計(jì)最有意義的制造流程，向客戶提供原型并獲得反饋以迭代地達(dá)到最終輸出。Lemieux表示，可能需要三到四次迭代才能讓各方對(duì)流程的可靠性和成本效益感到滿意。
一旦生產(chǎn)就緒流程和設(shè)計(jì)最終確定，IBM通常會(huì)將它們發(fā)送給客戶，然后客戶將依賴可以將它們安裝在卡上的制造商，例如PCIe卡或主板，具體取決于它們的使用方式。
在開(kāi)發(fā)芯片封裝工藝時(shí)，Bromont團(tuán)隊(duì)在MiQro Innovation協(xié)作中心(C2MI)完成大部分工作，這是舍布魯克大學(xué)(University of Sherbrooke)旗下的先進(jìn)半導(dǎo)體研發(fā)機(jī)構(gòu)，位于Bromont基地附近。C2MI站點(diǎn)在其Bromont工廠內(nèi)擁有與IBM大致相同的工具，使團(tuán)隊(duì)能夠測(cè)試想法，然后將其有效地引入生產(chǎn)線。
與在奧爾巴尼進(jìn)行的材料和架構(gòu)測(cè)試非常相似，Bromont團(tuán)隊(duì)也對(duì)其工藝進(jìn)行壓力測(cè)試，以確保他們能夠生產(chǎn)具有高可靠性的封裝芯片。在C2MI，IBM員工可以測(cè)試各種熱材料、零件組件和底部填充材料在生產(chǎn)周期中的可靠性。還有針對(duì)這些工藝的壓力測(cè)試，例如通過(guò)濕度室運(yùn)行他們的想法，并通過(guò)從0°C到120°C的熱量變化運(yùn)行芯片和工藝超過(guò)200次，以確保它們足夠強(qiáng)大，適合實(shí)際使用。
與奧爾巴尼類似，布羅蒙的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)看到封裝現(xiàn)在在芯片設(shè)計(jì)和性能中發(fā)揮著更大的作用，并致力于創(chuàng)建芯片及其封裝比近年來(lái)更加交織的工藝。“封裝已成為整個(gè)模塊性能的重要組成部分，”Lemieux說(shuō)。
