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Silizium-Interposer vs. organischer Interposer vs. Siliziumbrücke: Dichte, Größe, Kosten

Beim 2,5D-Packaging liegen mehrere Chips wie ein Prozessor und HBM-Stapel nebeneinander und werden mit Verdrahtung verbunden, die viel feiner ist, als ein Gehäusesubstrat sie bieten kann. Dafür gibt es drei Hauptwege. Ein Silizium-Interposer ist eine Siliziumplatte mit feiner Verdrahtung aus dem Wafer-Verdrahtungsprozess, die unter allen Chips liegt. Ein organischer Interposer besteht aus Umverdrahtungslagen (RDL) aus Polymerdielektrikum und Kupferleitungen. Eine Siliziumbrücke ist ein kleines Siliziumstück mit feiner Verdrahtung, das nur unter den Bereichen eingebettet wird, in denen Chips aneinandergrenzen. Bei der Verdrahtungsdichte gewinnt der Silizium-Interposer, bei Größe und Kosten der organische Interposer und die Siliziumbrücke. Die Wahl hängt davon ab, wie viele Verbindungen nötig sind und wie groß das Gehäuse ist.

MerkmalSilizium-InterposerOrganischer Interposer (RDL)Siliziumbrücke
HerstellungMehrlagige feine Verdrahtung (Kupfer-Damascene wie bei Chipverdrahtungen) und TSVs werden auf einem Siliziumwafer aufgebautPolymer-Dielektrikumschichten (etwa Polyimid) und galvanisch abgeschiedene Kupferleitungen werden Lage für Lage auf einem Träger gestapeltEin kleines Siliziumstück mit feiner Verdrahtung wird in das Gehäusesubstrat oder in Umverdrahtungslagen eingebettet
Lage des SiliziumsEine große Platte unter allen ChipsKein Silizium; Umverdrahtungslagen liegen unter allen ChipsNur unter den benachbarten Kanten angrenzender Chips; andere Verbindungen laufen über gewöhnliche Substratverdrahtung
Typische Linienbreite/AbstandAm feinsten, typischerweise etwa 1 µm oder darunterGröber als Silizium, typischerweise etwa 2 µm, mit weniger LagenIm Brückenbereich so fein wie ein Silizium-Interposer
GrößengrenzenÜber ein Belichtungsfeld (etwa 26 mm × 33 mm) hinaus müssen Belichtungen zusammengesetzt werden (Stitching), und die Kosten steigen mit der GrößeLeichter groß herzustellen als ein Silizium-InterposerDie Brücken selbst sind klein; mit mehreren davon lassen sich Gehäuse größer als ein Belichtungsfeld leichter realisieren
Bedarf an TSVsErforderlich, um die Chips oben durch den Interposer mit dem Gehäusesubstrat zu verbindenNicht nötig; Vias in den Umverdrahtungslagen stellen die vertikalen Verbindungen herBei den meisten substrateingebetteten Varianten braucht die Brücke selbst keine TSVs; Stromversorgung und viele Signale sind außerhalb der Brücke direkt mit dem Substrat verbunden
KostenHoch, da große Siliziumfläche und TSV-Prozess nötigLeichter unter einem Silizium-Interposer zu haltenWegen der kleinen Siliziumfläche leichter unter einem Silizium-Interposer zu halten, allerdings kommen Einbettungs- und Ausrichtungsschritte hinzu
Wärmeausdehnung und VerzugSilizium dehnt sich bei Wärme viel weniger aus als organische Substrate, und die daraus entstehende Spannung und der Verzug werden mit wachsender Größe schwerer beherrschbarDie Wärmeausdehnung liegt nahe am Gehäusesubstrat, was die Spannung an den Verbindungen senkt, aber Verzug und Maßänderungen der Polymerlagen müssen beherrscht werdenDer größte Teil des Gehäuses ist organisches Substrat, daher ähnelt der Gesamtverzug dem eines gewöhnlichen Substrats; lokale Spannung um die Brücke und die Höhenkontrolle feiner und grober Bumps sind Herausforderungen
Elektrische EigenschaftenDie Leitungen sind fein und kurz; feine Leitungen haben hohen Widerstand und eignen sich nicht für lange StreckenDickere Leitungen sind leichter möglich, daher ist der Widerstand geringer, aber die Verdrahtungsdichte ist niedrigerDichte Verdrahtung deckt nur die kurze Strecke zwischen Chipkanten ab; die Stromversorgung kann direkt aus dem Substrat erfolgen, ohne durch die Brücke zu laufen
Typischer EinsatzVerbindungen mit sehr vielen Leitungen, etwa ein Prozessor mit mehreren HBM-StapelnChiplet-Verbindungen mit geringeren Verdrahtungsanforderungen oder großem FlächenbedarfChiplet- und HBM-Verbindungen in großen Gehäusen, die dichte Verdrahtung nur zwischen Chipkanten brauchen

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

Silizium-Interposer
Geeignet, wenn die Verdrahtungsdichte an erster Stelle steht. Wurde für Konfigurationen, die einen Prozessor und mehrere HBM-Stapel mit Tausenden von Leitungen verbinden, weit verbreitet eingesetzt.
Organischer Interposer (RDL)
Geeignet, wenn keine Verdrahtungsdichte auf Siliziumniveau nötig ist und Kosten oder Größe im Vordergrund stehen. Hilft auch, wenn Spannungen an den Verbindungen durch unterschiedliche Wärmeausdehnung verringert werden sollen.
Siliziumbrücke
Geeignet für große Gehäuse, die dichte Verdrahtung nur an den Grenzen zwischen Chips brauchen. Spart Kosten durch weniger Siliziumfläche.

Häufige Fragen

Was geschieht, wenn ein Interposer größer als das Belichtungsfeld ist?

Die Fläche, die eine Belichtung abdecken kann (die Retikelgröße), ist auf etwa 26 mm × 33 mm begrenzt. Größere Silizium-Interposer werden mit Stitching hergestellt, das die Verdrahtung präzise über die Grenzen benachbarter Belichtungsfelder hinweg verbindet. Je größer der Interposer, desto schwerer lassen sich jedoch Kosten, Ausbeute und Verzug beherrschen, daher kommen auch organische Interposer und Siliziumbrücken in Betracht.

Was ist der Hauptunterschied zwischen einer Siliziumbrücke und einem Silizium-Interposer?

Wo das Silizium sitzt. Ein Silizium-Interposer legt eine große Siliziumplatte unter alle Chips, eine Siliziumbrücke ein kleines Siliziumstück nur unter die Bereiche, in denen Chips aneinandergrenzen. Silizium nur dort zu verwenden, wo dichte Verdrahtung nötig ist, erleichtert es, Fläche und Kosten zu sparen.

Wie unterschiedlich ist der Verdrahtungspitch?

Als grober Richtwert liegen Linienbreite und Abstand bei Silizium-Interposern um 1 µm oder darunter und bei organischen Interposern um 2 µm; gewöhnliche Gehäusesubstrate sind noch gröber. Die Zahlen ändern sich mit Generation und Verfahren, aber Silizium kann feiner werden, weil es den Chip-Verdrahtungsprozess nutzt.

Lassen sich organische Interposer und Siliziumbrücken kombinieren?

Ja. Manche Designs betten kleine Siliziumstücke in die Umverdrahtungslagen ein und nutzen Siliziumverdrahtung nur dort, wo hohe Dichte nötig ist. Hersteller vermarkten solche Ansätze oft unter eigenen Namen; statt sich auf den Namen zu verlassen, sollte man prüfen, wo Silizium verwendet wird und ob TSVs vorhanden sind.

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Welche Aufgabe hat der im 2.5D-Packaging verwendete Silizium-Interposer?

  1. AKühlkörper zur Kühlung des Chips
  2. BZwischenträger, auf dem mehrere Chips nebeneinander montiert und über feine Leiterbahnen mit hoher Dichte verbunden werden
  3. CFotomaske für die Belichtung
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Antwort: B. Zwischenträger, auf dem mehrere Chips nebeneinander montiert und über feine Leiterbahnen mit hoher Dichte verbunden werden

Ein Silizium-Interposer ist ein Zwischenträger aus Silizium, auf dem mit den Verdrahtungsprozessen der Halbleiterfertigung feine Leiterbahnen unter 1 µm hergestellt werden. Auf ihm werden mehrere Chips wie Prozessor und HBM nebeneinander montiert und mit einer Verdrahtungsdichte verbunden, die mit gewöhnlichen organischen Gehäusesubstraten und Leiterbahnbreiten von einigen zehn µm nicht erreichbar ist. Der Interposer selbst ist über TSVs mit dem Gehäusesubstrat verbunden. Mit Kühlkomponenten oder Fotomasken hat er nichts zu tun.

Bei welchem Verfahren wird anstelle eines großen Silizium-Interposers nur an den Verbindungsstellen zwischen den Chips ein kleines Siliziumstück eingebettet, um eine hochdichte Verdrahtung zu erreichen?

  1. ADrahtbond-Verfahren
  2. BSilizium-Brücken-Verfahren
  3. CLeadframe-Verfahren
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Antwort: B. Silizium-Brücken-Verfahren

Beim Silizium-Brücken-Verfahren wird in das Gehäusesubstrat nur an den Verbindungsstellen benachbarter Chips ein kleines Siliziumstück eingebettet, in dem feine Leiterbahnen die Chips mit hoher Dichte verbinden. Da kein großer Interposer unter dem gesamten Chip nötig ist, lassen sich die Kosten senken, und auch Packages, die größer als das Belichtungsfeld sind, werden möglich. Ein typisches Beispiel ist Intels EMIB. Mit Drähten oder Leadframes ist diese Dichte nicht erreichbar.

Was ist der Hauptvorteil eines Interposers aus Umverdrahtungslagen (RDL) mit organischen Isolierschichten und Kupferleiterbahnen anstelle eines Silizium-Interposers im 2.5D-Packaging?

  1. AEs lassen sich stets feinere Leiterbahnen als bei Silizium herstellen
  2. BTSVs werden überflüssig, und Wärmeabfuhr ist überhaupt nicht mehr nötig
  3. CDie Kosten lassen sich leichter senken, und auch Interposer mit großer Fläche lassen sich leichter fertigen
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Antwort: C. Die Kosten lassen sich leichter senken, und auch Interposer mit großer Fläche lassen sich leichter fertigen

Ein organischer RDL-Interposer nutzt keine Silizium-Waferprozesse, lässt sich daher kostengünstiger herstellen und ist flexibel und leicht zu vergrößern. Sein thermischer Ausdehnungskoeffizient liegt nahe dem des Gehäusesubstrats, wodurch auch die Spannung an den Verbindungen sinkt. Andererseits bleiben Feinheit und Dichte der Leiterbahnen häufig hinter dem Silizium-Interposer zurück; je nach Anwendung werden beide gezielt eingesetzt, oder nur die hochdichten Bereiche werden mit Silizium-Brücken kombiniert.

  1. Mit welchem Verfahren werden Silizium-Interposer hergestellt, die größer sind als der maximal auf einmal belichtbare Bereich des Scanners (etwa 26 mm × 33 mm)?
  2. Aus welchem Hauptgrund werden bei KI-GPUs der GPU-Chip und HBM nebeneinander auf einem Silizium-Interposer montiert?
  3. Welche Aussage zum Unterschied zwischen 2.5D- und 3D-Packaging ist richtig?

Übungsfragen zu Fortgeschrittene Technologien (3D-Integration, Chiplets)

Wichtige Begriffe erklärt

Silizium-Interposer
Zwischenträger aus Silizium, auf dem mehrere Chips nebeneinander platziert und über feine Leiterbahnen dicht verbunden werden. Er dient z. B. der Verbindung von GPU und HBM.
Umverdrahtungslage (RDL)
Auf der Oberfläche von Chip oder Wafer gebildete Leiterbahnlage, die die Elektrodenpositionen zu den Positionen der externen Anschlüsse führt. Sie wird bei Fan-out-Gehäusen und Interposern verwendet.
TSV (Silizium-Durchkontaktierung)
Elektrode, die das Siliziumsubstrat durchdringt. Sie verbindet gestapelte Chips über kurze vertikale Wege.
2,5D-Integration
Aufbauverfahren, bei dem mehrere Chips nebeneinander auf einem Zwischenträger wie einem Silizium-Interposer angeordnet und mit feinen Leitungen dicht verbunden werden. Wird z. B. zur Verbindung von GPU und HBM verwendet.
HBM
Speicher, bei dem mehrere DRAM-Dies über TSVs gestapelt werden und der mit sehr breitem Bus eine hohe Bandbreite erreicht.
Chiplet
Kleiner, funktional aufgeteilter Chip. Mehrere Chiplets werden in einem Gehäuse verbunden und bilden ein größeres System.
Mikro-Bump
Bump, der zur Verbindung von mit TSV gestapelten Chips untereinander oder von Chip und Interposer dient und deutlich kleiner ist als eine übliche Lötkugel. Der Pitch liegt bei einigen zehn µm.

Verwandte Vergleiche