3D 封装与 3D 集成有何区别？

作者：Paul McLellan

今年3月，第 18 届国际设备封装会议和展览（简称 IMAPS，是主办方国际微电子组装与封装协会- International Microelectronics Assembly and Packaging Society的首字母缩写）顺利开幕。就在同一周，苹果发布了 M1 Ultra，使先进封装再次成为了科技新闻的关注焦点。M1 Ultra 由两个被中介层（或称之为互连桥）连接在一起的 M1 Max 芯片组成。中介层通常比在其之上的裸片更大，而互连桥则较小，并只位于连接处的裸片边缘之下。

在此次 IMAPS 会议上，Cadence 资深半导体封装管理总监 John Park 先生阐述了 3D 封装 与 3D 集成 的区别。

他首先指出，系统级封装 (即System-in-Package ，SiP) 有两个不同的方向。一是把 PCB 上的器件转移到多芯片组件；二是如同前几年制造大型系统级芯片（即System-on-Chip， SoC）一样进行集成，但是转换制程利用先进封装来封装裸片。

以下是一些使晶粒（Chiplet）解决方案具有吸引力的重要因素：

·  在为器件挑选最佳工艺节点方面具有很大的灵活性；特别是 SerDes I/O 和模拟核，不再需要“全部统一在单一”制程节点上
·  由于制造裸片尺寸小，所以良率会更高
·  使用现成的晶粒（Chiplet），可缩短 IC 的设计周期，并降低集成的复杂性
·  通过购买良品裸片（即known-good-die ，KGD），可普遍降低生产成本
·  在许多设计中使用同种晶粒（Chiplet）时，将具有如同采用批量生产的相同成本优势

以 IC 为重心的先进封装改变了设计流程。上图中，20世纪90年代设计采用的是类似 PCB 的设计流程；而如今已采用类似 IC 的设计流程。把多种不同的技术集成到一起，即异构集成，结合了多年以来使用的各种制程技术。特别是先进封装和先进集成方法，例如晶圆堆叠（Wafer-on-Wafer）和无凸块集成（Bumpless）。

我们可以将基于封装的 3D 视为“后端 3D”，把先进集成方式视为“前端 3D”。

后端 3D是微型凸块互连（micro-bumped）加上每个裸片都有单独的时序签核和 I/O 缓冲器。这种方式中，多个裸片之间通常没有采用并行设计。多年来，这一直是用于存储器和 CMOS 图像传感器的常见方法。

对于前端 3D，裸片通常是直接键合的制程工艺（铜对铜，或采用类似方法）。裸片之间没有 I/O 缓冲器，这意味着并行设计和分析必不可少，需要时序驱动的布线和静态时序签核（对于数字设计而言）。所以设计将倾向于朝Z 轴上布局，多个裸片会堆叠在一起；这意味着随着设计的推进，一个特定的区域可能被分配给超过一个的裸片。

这是封装领域的下一个重要转变，也是向真正3D-IC 设计迈出的一大步，即将众多不同的裸片堆叠在一起，这能大大缩短信号所需的传输距离。当然，由此产生的散热问题也需要加以分析和管理，裸片上方的另一个裸片可能会阻绝散热，这取决于众多的设计细节。

想要使这一新的设计生态成为现实，仍要面临诸多挑战，包括装配设计工具包（即Assembly Design Kits，ADK) 的可用性、裸片与裸片互连 (d2d) 的通用标准，以及 EDA 工具的全面支持。

在打造支持这些制造流程的工具时，面临的一个挑战是设计规模可能非常庞大，具有超过 1,000 亿个采用了多种设计技术的晶体管。这就产生了对高容量、多领域、可进行多技术数据库相互沟通与转换的工具的需求，只有这样，我们才能拥有一个高弹性的通用 3D-IC 解决方案设计平台。

业界另一个关注领域是晶粒（chiplets ）的销售模式。到目前为止，大多数晶粒（chiplets），除存储器外，都被设计成单一系统或一组系统的一部分。从长远来看，就像如今的封装元件一样，未来将会有纯裸片上市销售，也会有经销商（或新公司）销售来自多个制造商的裸片。随着晶粒（chiplets ）之间的通信变得标准化，不仅仅是技术上具备挑战，商业模式上的挑战也会应运而生。让我们拭目以待吧！