Nederlands
Menu

2,5D- versus 3D-packaging: manieren om chips te integreren vergeleken

Beide zijn manieren om meerdere chips in één package te plaatsen en een bandbreedte te halen die op een printplaat niet haalbaar is. Bij 2,5D-packaging staan de chips naast elkaar op een silicium-interposer, die ze met een fijne pitch verbindt. Bij 3D-packaging worden chips verticaal gestapeld en verbonden met through-silicon vias (TSV) of hybrid bonding. 3D levert de kortste verbindingen op, maar is moeilijker te koelen en te produceren.

Kenmerk2,5D3D
StructuurChips staan naast elkaar op een silicium-interposer (of silicium-brug)Chips worden verticaal op elkaar gestapeld
VerbindingenVerbonden met de interposer via microbumps en onderling via zeer fijne bedradingslagen in de interposerTSV's door de chips, verbonden met microbumps of hybrid bonding
BandbreedtedichtheidHoogHet hoogst, omdat de verbindingen het kortst zijn
WarmteGemakkelijker te koelen. Elke chip kan van bovenaf worden gekoeldMoeilijker te koelen. De warmte van onderliggende chips moet door de chips erboven
OppervlakGroot. Alle chips staan op de interposerKlein
Moeilijkheid van de productieEen grote interposer is nodig, wat de kosten verhoogtWafers moeten worden verdund tot enkele tientallen micrometers, er moeten TSV's worden gemaakt en elke chip moet zorgvuldig worden getest
Typische voorbeeldenAI-GPU's met HBM in hetzelfde package (zoals CoWoS van TSMC)HBM zelf (gestapelde DRAM-chips) en cache die op een processor is gestapeld
Belangrijkste toepassingenVerbinden van processors, geheugens en chipletsStapelen van geheugen, of van logica en cache wanneer het kortst mogelijke pad gewenst is

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

2,5D
Wanneer een grote processor wordt gecombineerd met meerdere geheugenstacks of chiplets en koeling eenvoudig moet blijven.
3D
Wanneer verbindingslengte, vermogen en oppervlak het belangrijkst zijn. Gestapeld geheugen en dergelijke.
Combinatie
Krachtige AI-accelerators gebruiken beide. HBM is een 3D-stack van gestapelde DRAM-chips, die naast de processor op een 2,5D-interposer wordt geplaatst.

Veelgestelde vragen

Wat is een silicium-interposer?

Een siliciumlaag met zeer fijne bedrading (vaak ook met TSV's) die bij 2,5D-packaging de naast elkaar geplaatste chips verbindt.

Waarom is 3D-packaging moeilijker te koelen?

Omdat de warmte van de onderste chips door de gestapelde chips erboven moet. Bij 2,5D kan elke chip van bovenaf worden gekoeld.

Is HBM 2,5D of 3D?

Beide. HBM is een 3D-stack van gestapelde DRAM-chips, die naast de processor op een 2,5D-interposer wordt geplaatst.

Wat is een TSV?

Through-silicon via: een verbinding die verticaal door een gedunde siliciumchip loopt. Wordt gebruikt om gestapelde chips met elkaar te verbinden.

Test uw begrip

Wat is het juiste verschil tussen 2.5D- en 3D-integratie?

  1. ABij 2.5D worden chips naast elkaar op een tussensubstraat (zoals een interposer) geplaatst, bij 3D worden chips verticaal gestapeld
  2. BBij 2.5D worden chips verticaal gestapeld, bij 3D naast elkaar geplaatst
  3. CEr is geen verschil tussen 2.5D en 3D
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Bij 2.5D worden chips naast elkaar op een tussensubstraat (zoals een interposer) geplaatst, bij 3D worden chips verticaal gestapeld

Bij 2.5D-integratie worden meerdere chips naast elkaar op een tussensubstraat zoals een silicium-interposer geplaatst en met de fijne bedrading van het substraat verbonden. Bij 3D-integratie worden chips met TSV's of hybrid bonding verticaal gestapeld en verbonden. 2.5D laat zich gemakkelijker koelen, terwijl 3D de kortste bedrading geeft. Er worden ook combinaties gebruikt, zoals HBM (3D-stapeling) naast een GPU (2.5D).

Welke uitspraak over de rol van een silicium-interposer bij 2.5D-integratie is juist?

  1. AEen heatsink om de chip te koelen
  2. BEen tussensubstraat waarop meerdere chips naast elkaar worden geplaatst en met fijne bedrading met hoge dichtheid worden verbonden
  3. CEen fotomasker voor belichting
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Een tussensubstraat waarop meerdere chips naast elkaar worden geplaatst en met fijne bedrading met hoge dichtheid worden verbonden

Een silicium-interposer is een tussensubstraat van silicium waarin met de bedradingsprocessen van halfgeleiders fijne bedrading van 1 µm of minder wordt gemaakt. Meerdere chips, zoals een processor en HBM, worden erop naast elkaar geplaatst en verbonden met een bedradingsdichtheid die met een gewoon organisch packagesubstraat met bedradingsbreedtes van enkele tientallen µm niet haalbaar is. De interposer zelf is via TSV's met het packagesubstraat verbonden. Het heeft niets te maken met koelcomponenten of fotomaskers.

Welke uitspraak over TSV (through-silicon via) is juist?

  1. AEen laterale bedrading die alleen op het oppervlak van de chip wordt gevormd
  2. BEen elektrode die het siliciumsubstraat in de dikterichting doorboort en gestapelde chips onderling verticaal verbindt
  3. CEen soldeerbal die als externe aansluiting van het package dient
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Een elektrode die het siliciumsubstraat in de dikterichting doorboort en gestapelde chips onderling verticaal verbindt

Een TSV (through-silicon via) is een elektrode waarbij in het siliciumsubstraat gaten van enkele µm tot enkele tientallen µm diameter worden gemaakt en met geleidend materiaal worden gevuld, zodat voor- en achterzijde van het substraat elektrisch worden verbonden. Chips kunnen worden gestapeld en met over kortere afstand dan bij wire bonding meer dan duizenden verbindingen worden gemaakt; TSV's worden daarom gebruikt in 3D-integratie, HBM en silicium-interposers. Laterale bedrading op het oppervlak is gewone multilaag-metallisatie en soldeerballen zijn externe aansluitingen.

  1. Wat is bij 3D-integratie, waarbij chips verticaal worden gestapeld, bij uitstek een uitdaging?
  2. Wat is een juiste richtwaarde voor de dikte waartoe een wafer vanaf de achterzijde wordt geslepen om chips met TSV's te kunnen stapelen?
  3. Wat is de belangrijkste reden om bij een GPU voor AI de GPU-chip en HBM naast elkaar op één silicium-interposer te monteren?

Oefenvragen over Geavanceerde technologieën (3D-integratie, chiplets)

Belangrijke termen uitgelegd

2.5D-integratie
Packagingmethode waarbij meerdere chips naast elkaar op een tussensubstraat zoals een siliciuminterposer worden geplaatst en met fijne bedrading dicht worden verbonden. Wordt gebruikt voor onder meer de verbinding van GPU en HBM.
3D-packaging
Packagingmethode waarbij chips verticaal worden gestapeld en boven en onder via TSV of hybride bonding worden verbonden. De bedrading wordt korter, waardoor het sneller is en minder stroom verbruikt, maar warmteafvoer wordt een uitdaging.
TSV (through-silicon via)
Elektrode die door het siliciumsubstraat heen loopt. Verbindt gestapelde chips over een korte afstand verticaal met elkaar.
Silicium-interposer
Silicium tussensubstraat waarop meerdere chips naast elkaar worden geplaatst en met fijne bedrading dicht worden verbonden. Wordt onder meer gebruikt voor de verbinding van GPU en HBM.
Chiplet
Kleine chip die per functie apart is gemaakt. Meerdere chiplets worden in één package verbonden tot een groter systeem.

Verwante vergelijkingen