在2008年,IBM這位藍色巨人的新型功放也將投入量產,據稱該產品可與電源接地層實現多達100個直接金屬連接。該連接方式可將產品功耗降低40%,而這在手機或Wi-Fi適配器中至為關鍵。

目前,行業內共有大約十幾家公司在追求被稱為“硅片直通孔(TSV)”或其它形式的3D封裝技術,并將其作為芯片間直接互連的下一個巨大飛躍,而IBM正是其中之一。4月下旬,一組半導體專家曾聚在一起,首次為TSV技術草擬行業發展藍圖,該小組希望正式的發展藍圖能夠在今年年底出爐。

3D封裝技術超越了目前廣為使用的系統級芯片(SoC)和系統級封裝(SiP)方法。使用該技術,原始硅裸片通過幾十微米寬的微小金屬填充孔相互槽嵌(slot into)在一起,而無需采用基層介質和導線。與目前封裝方式所能達到的水平相比,該技術能以低得多的功耗和更高數據速率連接多種不同器件。

“為連接這些微米級過孔,時下采用的毫米級導線需要成百倍地被細化。”芯片產業研發聯盟Sematech互連部門主管Sitaram Arkalgud表示,“最終目標是找到一種方法將異類堆棧中的CMOS、生物微機電系統(bio-MEMS),以及其它器件連接起來。為此,業界或許需要一個標準的3D連線協議來放置過孔。”Arkalgud將幫助起草3D芯片發展藍圖。

“這將為芯片產業開辟一片全新的天地。” WeSRCH網站(由市場研究機構VLSI Research創辦)負責人David Lammers表示。

攀登3D階梯

IBM將采用漸進方式啟動3D封裝技術。除了功放,IBM還計劃采用該技術將一個微處理器與接地層連接,從而穩定芯片上的功率分布,而這將需要100多個過孔來連接穩壓器和其它無源器件。

IBM已經完成了這樣一個設計原型,并預計此舉能將CPU功耗減少20%。“不過,我們還未決定將其插入產品計劃的哪個環節。”IBM探索性研發小組高級研發經理Wilfried Haensch表示。

最終目標是采用數千個互連實現CPU和存儲器間的高帶寬連接。IBM已將其Blue Gene超級計算機中使用的定制Power處理器改為TSV封裝。新的芯片將與緩存芯片直接匹配,目前,采用該技術的一個SRAM原型正在IBM的300mm生產線上利用65nm工藝技術進行制造。

“我敢打賭,到2010年將出現采用該方法連接緩存的微處理器。”Lammers指出,“我認為,真正需要這種技術的,是那種超過10個內核的處理器場合。在這種情況下,處理器和存儲器間的帶寬確實是個問題。”

在英特爾和AMD間正在進行的博弈中,該新技術將成為一個重要籌碼。雖然AMD與IBM合作開發工藝技術,但AMD可能需要向IBM申請這種封裝技術的特別使用許可——這也許會發生在32nm時代,Lammers介紹。

英特爾也在開發TSV技術。英特爾計劃在未來的萬億赫茲研究型處理器中采用這種技術,該公司研發部負責人Justin Rattner在去年的英特爾開發者論壇上曾如此表示。

TSV可把芯片上數據需要傳輸的距離縮短1,000倍,并使每個器件的互連性增加100倍,IBM聲稱。“這一突破是IBM十多年的研究結晶。”IBM半導體研發中心副總裁Lisa Su表示。

芯片制造商的3D互連研究歷時多年,但截至目前,該技術仍被認為是一種昂貴的、針對特定小應用領域的技術。工程師一直在研究通孔、晶圓級邦定,以及其它替代技術。由于眾多專家相信2009年將出現一場互連危機,所以對3D互連和封裝的需求已變得日益迫切。這場危機的根源在于:隨著芯片工藝節點的縮小,芯片設計中鋁或銅導線變得越來越細,從而會導致潛在的時序延遲及多余的銅阻抗。

即使有IBM的聲明,但是業界仍面臨著成本、良率和測試等一系列棘手問題。”專注于封裝問題的Prismark Partners咨詢公司高級顧問Brandon Prior表示。

新出現的裸片堆疊技術目前既不成熟,又十分昂貴。芯片堆疊內的熱散逸是另一個主要難題。如今,幾家公司正在樣產TSV產品,但卻沒有一家表現出有足夠的潛力能取代目前地位穩固的邦定技術,或在“封裝堆疊(PoP)”技術上取得新進展。

的確,堆疊多個封裝基底的方法仍是目前封裝技術中發展最熱的一塊,Amkor公司業務拓展經理Lee Smith表示。美國電子器件工程聯合委員會(Jedec)已經為該方法設立了一系列標準,而且這些技術正在被整合了存儲器和邏輯芯片的手機棧迅速采用,Smith介紹。

Tessera希望能借助PoP之勢進行發展。該公司發布了自己的MicroPILR技術,這是一種更具革命性的方法,可用于多種芯片和板卡應用。

一些專家相信,存儲器將會成為首批采用TSV技術的器件之一。但傳統的邦定工藝和目前的芯片堆疊技術,也將繼續取得進步。鑒于各種方法的成本有所不同,所以它們可能將在許多應用中與3D封裝爭奪市場。

Sematech已開始研制一種成本模型,該模型能把不同的技術與其最適合的應用相對應,Arkalgud介紹。今年底,首張映配圖將會面市,但其內容也會隨著時間的發展而產生變化,他說。

取得行業關注

的確,使行業內各公司集中精力于幾種3D封裝法和這些方法帶來的技術挑戰,是目前該領域面臨的最大障礙之一,Arkalgud指出。

“業界正處在這樣一個關口:解決方案太多,人們無法在前進的道路上達成共識。現在如果你向5個人詢問解決該問題的方法,可能會得到5個以上的答案。”他表示。

TSV的發展藍圖,將在下一版的《國際半導體技術發展路線圖》中作為其內容的一部分發表,此舉將起到促進行業達成共識的積極作用。成本映配文件則是另一股推進力量,Arkalgud接著說。

一旦能達成共識,業界需要解決一系列技術問題。這些問題包括:如何組合及排列3D芯片堆疊、如何一致性地生產和處理它們所需的超薄晶圓等。如何簡單地鉆通并填充這些微小的過孔(孔深與孔徑之比為10:1、直徑小至90微米),曾經是IBM面臨的主要挑戰,Haensch表示。但是他拒絕透露IBM工藝的細節。

“當開始蝕刻這些小孔并形成新鍍層時,會產生一些碎屑,而這些碎屑會影響良率。”VLSI Research的Lammers表示。

已經很熱的裸片在直接堆疊時還會產生熱,如何散熱就成為另一個難題。工程師正在研究將最熱的裸片放在棧外的方法,但目前還沒有好的熱仿真工具能確定在使用時哪個區域最熱或最涼,Arkalgud指出。

工程師一旦解決了制造中遇到的難題,那么該技術就將打造芯片設計的新天地。若處理器能與多個SRAM進行直接的高帶寬連接,那么它們也許就不再需要內部緩存。這些緩存一般占據了CPU裸片的大部分面積。

作者:麥利 馬立得