混合芯片封装的设计挑战越来越大

整个半导体生态系统开始着手解决一长串技术和业务变化，这些变化将需要继续超越摩尔定律，使芯片的异构组合更容易、更便宜和更可预测。

混合各种die并以模块化方式将它们组合在一起有许多好处。从设计的角度来看，这种方法提供了最广泛的可用 IP 选择，以及为特定应用提供最佳 IP、使用最佳工艺技术开发且价格合适的能力。它还可以利用 OSAT 进行组装和测试，而不是仅仅依赖代工厂，从而为供应商的广泛选择和不同的封装选项打开了大门。

这种多芯片或多芯片设计方法还有其他不太明显的影响。西门子 EDA的 DRC 产品管理总监 John Ferguson 表示，一方面，它可能会加剧代工厂之间的竞争，从而导致芯片组成本更低。

此外，它还允许政府和公司在竞争激烈的市场中利用多个代工厂。这是否会提高或降低安全性可能取决于各种组件的来源，但它确实确保没有代工厂能够完全访问最终设计及其所有 IP。

“HBM 可能来自三星，然后你正在设计你的处理器，这对代工厂来说将是一个更大的挑战，” Cadence定制 IC 和 PCB 事业部产品管理组总监 John Park 说。“三星是否与台积电共享完整的晶圆级设计?OSAT 一直在这样做。OSAT 长期以来一直集成来自多个不同供应商的多个裸片，因为它们不被视为代工竞争对手。这可能会开始改变，因为现在所有的 OSAT 都在提供所有这些方面的特色。它有可能成为一个巨大的生态系统。”

这将对整个供应链的关系产生重大影响。“谁将与谁分享他们的晶圆?你必须展示整个晶圆，因为无论谁要构建中介层，他们都会进行组装，”Park 说。“例如，一个 OSAT 会得到一个晶圆，然后他们会对它进行碰撞和切割。同样的事情也适用于这里。现在我们开始讨论芯片优先与芯片后的问题，或者是否将中介层安装到封装上。最可靠的方法是独立构建中介层，先将其安装到 BGA，然后将裸片连接到其上。代工厂现在都与 OSAT 有着非常非常紧密的关系，因为他们拥有生态系统，而且归根结底，一切都在一个封装上。您可以进行所有想要的高级集成。

这也从根本上改变了衍生芯片的方程式。Siemens EDA 的高级 IC 封装技术专家 Kevin Rinebold 表示，在中介层设计中混合芯片还可以重复使用以前设计的芯片，以聚合到多个设计组件中。

因此，现在的重点转移到创建系统并针对性能、功率和成本进行优化的最佳方式。但它也提出了设计团队需要解决的问题，据Synopsys产品营销总监 Kenneth Larsen 说。其中：

如何分解设计以利用不同的技术节点?

不同种类的技术是如何混合的?

如何处理数十或数百个chiplet?

如何将设计扩展到芯片之间潜在的数十亿个连接?

HBM 和 HBI 如何连接?

如何路由信号以确保这些信号的完整性?

ECO是如何完成的，如果有影响PCB的变化，如何处理?

如何进行分析?

“所有这些都联系在一起，”拉森说。“有微凸块、TSV、microTSV，还有HBM、HBI等接口。die之间的相互联系也必须得到照顾。”

除了好处之外，还有许多其他方面需要牢记。“对于单一供应商，如果出现问题，您可以通过一个点来追踪根本原因，”西门子 EDA 的弗格森说。“通过分解，你要么必须自己做，要么必须在整个生态系统中浏览信息和相互指责。它还可能导致装配商的更多开销，例如需要通用和/或兼容装配规则的供应链和装配规则。”

此外，整个供应链的职责可能会发生重大调整。“很长一段时间以来，我们一直拥有一个芯片团队和一个封装团队，”Larsen 说。“这是两个不同的组织一起工作。但是，当您进入这些进行大量集成的系统时，团队之间的接触点数量会急剧增加。组织模式可能是未来几年将发生变化的事情之一。我不知道它是否会成为一个负责解决方案性能的团队，一个构建这种系统的团队，或者它是否会继续成为两个独立的团队。通过拥有所有这些芯片和技术，并一起优化它们，我怀疑这将成为 IC 挑战，而不是集成挑战。

责任和义务是chiplet领域的主要问题。“从商业角度来看，你如何处理设计不同方面的所有权?” Synopsys 的高级产品营销经理 Manuel Mota 问道。“这是一个正在发生很大变化的领域，绝对是chiplet和多芯片市场需要解决的问题。”

事实上，非技术业务问题可能比技术本身更重要。在很大程度上，许多技术问题已经得到解决。英特尔、AMD 和 Marvell 均已成功部署chiplet战略。但是商业的、现成的chiplet更困难，部分原因是需要更好地表征现成的集成，部分是因为对于这些部分应该如何组合在一起以及谁负责不同的问题存在不同的意见。这些设计中的元素。

“在今天的组织模型中，有系统设计师、SoC 前端设计师、SoC 布局布线工程师、功率热噪声工程师、签核团队、DFT、封装、PCB 团队，所有这些团队都有走到一起，”拉森说。“从来没有一个地方可以将整个系统视为一个整体。许多人一直在使用 PowerPoint 和 Excel 绘制草图，然后创建自己的流程以将事物组合在一起。也许它现在有效，但它会被打破。它太昂贵了，不仅在构建流程方面，而且在流程中的人为参与。您不能使用您的明星工程师来维持流程。他们需要设计下一代芯片。”

在构建这些大型 SoC 的不同组和不同团队之间有一种通用的沟通方式至关重要。“这关系到整个行业，”莫塔说。“如果您是在一家公司中从 3D-IC 构建这种多芯片 SoC，那么它最终是您需要定义的内部流程。但是，如果您从其他公司或从不同工艺的代工厂等处购买其中的一些die，那么您收到的任何东西都需要集成到此设计流程中。您需要提供一套一致的附属品，使您能够在进行全面验证时将其插入一致的设计流程中，而这仍然需要不断发展。”

技术方面的一大挑战是如何使用一种或多种标准化互连方案集成所有这些不同的chiplet。

Anthony Mastroianni 说：“由于用于不同芯片/chiplet的不同 DFT 工具之间的互操作性，需要在 PHY 中实现不同供应商芯片/chiplet之间的裸片到裸片接口的互操作性，以及更复杂的整体封装组装测试。” , Siemens EDA 的高级 IC 封装解决方案架构师。

这也包括适当的抵押品。但是在过去的五年中，在开发适用于来自不同代工厂的不同技术的数据结构方面取得了进展。

“通常，IC 工具在单个芯片、单个技术文件、单个规则上工作，”Larsen 指出。“我们看到需要扩展此数据框架以混合和匹配技术——例如，如果您使用您最喜欢的代工厂的 3nm 和另一家公司的中介层技术。假设您最终使用三种不同的技术在中介层上使用了两个芯片。您如何将其引入并视为一个整体?”

每个 die/dielet/tile/chiplet 的一些附属品可以作为技术文件引入。但是有一个地方将这两种不同的东西结合在一起，它们必须挂在一起。对于技术文件中没有规定的空间，如何与其他供应商集成?

“我们已经与一些代工厂和一些集成公司合作，以找出一种在芯片之间交换信息的方法，”拉森说。“这不是 IP 协议。这真的是，'你将你的设计发送给你的 OSAT。您在组装时有什么样的制造要求?当你进入这条路或那条路时，你应该预先检查什么样的设计规则?你需要多少进入系统的东西才能制造并实现高可靠性和产量?业界正在酝酿一些新事物，以支持将两个芯片与您的代工厂或 OSAT 放在一起的概念。”

中介层的高成本

一些先进封装的限制因素之一是中介层的成本。“如果您要设计超大容量产品，您需要外形尺寸和所获得的性能，因此您会花掉额外的钱，”Park 说。“然而，更多的人会选择没有 TSV 的有机薄膜。这是一个类似板的工艺，而不是像硅中介层那样精细的间距。硅中介层为1µm线，空间更小。插入器需要警惕的是有很多不同的类型。”

直到 2010 年左右，封装主要是为了缩小或封装 PCB。“这些工具、各种层压板样式或其他类型的基板都类似于 PCB，”他说。“然后在 2011 年，随着赛灵思插入器的推出，改变了世界。我们收到了更多的 IC 要求，这很有趣。一直有来自 PCB 方面的要求和技术，但现在随着代工厂进入这一业务，需要来自芯片领域的更多投入以及方法和技术。设计数字芯片与设计多芯片模块、系统和封装是不分昼夜的。我们为一个人使用的工具对另一个人不起作用。”

也就是说，需要在工具方面进行更多创新才能将这些世界结合在一起，并克服令人难以置信的高昂设计成本。

整个生态系统的问题

随着工具和制造生态系统的不断变化，是否会产生广泛的涟漪效应?OSAT 是否有可能分担更多份额?或者代工厂会继续在封装和组装方面增加新的服务吗?如果英特尔是该行业的领头羊，那么其他半导体公司可能会重组并回归 IDM 模式。

“虽然英特尔可以用自己的晶圆厂做所有事情，包括封装，但其他人不太可能在短期内效仿，”帕克说。“相反，代工厂与 OSAT 建立了友好的合作伙伴关系。他们意识到他们需要彼此来完成设计。过去，当代工厂开始涉足这项业务时，他们看起来像是要消灭 OSAT，但后来他们建立了合作伙伴关系。排名第一和排名第二的代工厂现在在技术会议的演讲中展示了与所有各种 OSAT 的合作伙伴关系。当然，也有一次性的，比如英特尔，它是一站式商店。但这是chiplet问题。我们有这些chiplet，也没有人愿意分享这些。如果您是 AMD 或 Intel，您可以构建您的chiplet，并将其用于您正在组装的 die-to-die 封装，但他们不太可能与公众共享该chiplet。这就是chiplet生态系统的障碍。可能要到 2025 年我们才能弄清楚，所以我可以去目录订购现成的chiplet，添加我的‘特殊酱汁’，然后构建它。这就是 DARPA 的 CHIPS 的愿景。我们仍在努力。”

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审核编辑：汤梓红