Nederlands
Menu

Silicium-interposer versus organische interposer versus siliciumbrug: bedradingsdichtheid, afmetingen en kosten

Bij 2,5D-packaging zitten meerdere chips, zoals een processor en HBM-stacks, naast elkaar en worden ze verbonden met bedrading die veel fijner is dan een packagesubstraat kan bieden. Er zijn drie belangrijke manieren om die verbinding te maken. Een silicium-interposer is een plak silicium met fijne bedrading, gemaakt met het interconnectproces van wafers, die onder alle chips ligt. Een organische interposer is opgebouwd uit herbedradingslagen (RDL) van polymeerdiëlektricum en koperbedrading. Een siliciumbrug is een klein stukje silicium met fijne bedrading dat alleen is ingebed onder de gebieden waar chips elkaar raken. De silicium-interposer wint op bedradingsdichtheid, terwijl de organische interposer en de siliciumbrug winnen op afmetingen en kosten. De keuze hangt af van hoeveel verbindingen nodig zijn en hoe groot de package is.

KenmerkSilicium-interposerOrganische interposer (RDL)Siliciumbrug
Hoe het wordt gemaaktMeerlaagse fijne bedrading (koper-damascene, zoals in de interconnect van chips) en TSV's worden op een siliciumwafer gebouwdLagen van polymeerdiëlektricum (zoals polyimide) en gegalvaniseerde koperbedrading worden laag voor laag op een drager gestapeldEen klein stukje silicium met fijne bedrading wordt ingebed in het packagesubstraat of in herbedradingslagen
Waar silicium wordt geplaatstEén grote plak onder alle chipsGeen silicium; herbedradingslagen liggen onder alle chipsAlleen onder de tegen elkaar liggende randen van naburige chips; andere verbindingen lopen via gewone substraatbedrading
Typische lijnbreedte/tussenruimteHet fijnst, typisch rond 1 µm of minderGrover dan silicium, typisch rond 2 µm, met minder lagenIn het brugdeel even fijn als een silicium-interposer
Maximale afmetingenGroter dan één belichtingsveld (ongeveer 26 mm × 33 mm) vraagt het aan elkaar zetten van belichtingen (stitching), en de kosten stijgen met de afmetingenMakkelijker groot te maken dan een silicium-interposerBruggen zelf zijn klein, dus door er meerdere te plaatsen zijn packages groter dan één belichtingsveld makkelijker te realiseren
Noodzaak van TSV'sVereist, om de chips erboven via de interposer met het packagesubstraat te verbindenNiet nodig; via's in de herbedradingslagen maken de verticale verbindingenBij de meeste in het substraat ingebedde ontwerpen heeft de brug zelf geen TSV's nodig; voeding en veel signalen worden buiten de brug direct met het substraat verbonden
KostenHoog, door een groot siliciumoppervlak en de TSV-bewerkingMakkelijker onder die van een silicium-interposer te houdenMakkelijker onder die van een silicium-interposer te houden omdat het siliciumoppervlak klein is, al komen er stappen voor inbedden en uitlijnen bij
Thermische uitzetting en kromtrekkenSilicium zet bij verwarming veel minder uit dan organische substraten, en de resulterende spanning en kromtrekking worden moeilijker te beheersen naarmate de afmetingen groeienDe thermische uitzetting ligt dicht bij die van het packagesubstraat, wat helpt de spanning in de verbindingen te verlagen, maar kromtrekken en maatveranderingen van de polymeerlagen moeten worden beheerstHet grootste deel van de package is organisch substraat, dus de totale kromtrekking ligt dicht bij die van een gewoon substraat; lokale spanning rond de brug en de hoogtebeheersing van fijne en grove bumps zijn uitdagingen
Elektrische eigenschappenDe draden zijn fijn en kort; fijne draden hebben een hoge weerstand, dus ze zijn niet geschikt voor lange verbindingenDikkere draden zijn makkelijker te maken, dus de weerstand is lager, maar de bedradingsdichtheid is lagerDichte bedrading overbrugt alleen de korte afstand tussen chipranden; voeding kan direct vanuit het substraat worden aangevoerd zonder door de brug te gaan
Typische toepassingenVerbindingen die zeer veel draden nodig hebben, zoals een processor met meerdere HBM-stacksChipletverbindingen waarbij de bedradingseisen minder zwaar zijn of een groot oppervlak nodig isChiplet- en HBM-verbindingen in grote packages die alleen tussen chipranden dichte bedrading nodig hebben

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

Wanneer welke variant?

Silicium-interposer
Geschikt wanneer bedradingsdichtheid voorop staat. Het wordt veel gebruikt voor configuraties die een processor en meerdere HBM-stacks met duizenden draden verbinden.
Organische interposer (RDL)
Geschikt wanneer bedradingsdichtheid op siliciumniveau niet nodig is en kosten of afmetingen voorop staan. Het helpt ook wanneer de spanning in de verbindingen door verschillen in thermische uitzetting moet worden verlaagd.
Siliciumbrug
Geschikt voor grote packages die alleen op de grenzen tussen chips dichte bedrading nodig hebben. Het bespaart kosten door het siliciumoppervlak te verkleinen.

Veelgestelde vragen

Wat gebeurt er als een interposer groter is dan het belichtingsveld?

Het gebied dat één belichtingsshot kan bestrijken (de reticlegrootte) is beperkt tot ongeveer 26 mm × 33 mm. Silicium-interposers die groter zijn, worden gemaakt met stitching, waarbij de bedrading nauwkeurig over de grenzen van naburige shots heen wordt verbonden. Hoe groter de interposer, hoe moeilijker kosten, yield en kromtrekken echter te beheersen zijn, dus ook organische interposers en siliciumbruggen worden overwogen.

Wat is het belangrijkste verschil tussen een siliciumbrug en een silicium-interposer?

Waar het silicium zit. Een silicium-interposer plaatst een grote plak silicium onder alle chips, terwijl een siliciumbrug een klein stukje silicium alleen plaatst onder de gebieden waar chips elkaar raken. Door silicium alleen te gebruiken waar dichte bedrading nodig is, zijn oppervlak en kosten makkelijker te besparen.

Hoe groot is het verschil in bedradingspitch?

Als ruwe richtlijn liggen lijnbreedte en tussenruimte rond 1 µm of minder bij silicium-interposers en rond 2 µm bij organische interposers, en gewone packagesubstraten zijn nog grover. De getallen veranderen met generatie en aanpak, maar silicium kan fijner omdat het het interconnectproces van chips gebruikt.

Kunnen organische interposers en siliciumbruggen worden gecombineerd?

Ja. Sommige ontwerpen bedden kleine stukjes silicium in de herbedradingslagen in en gebruiken siliciumbedrading alleen waar hoge dichtheid nodig is. Leveranciers brengen deze aanpakken vaak onder eigen namen op de markt, dus kijk niet alleen naar de naam, maar controleer waar silicium wordt gebruikt en of er TSV's zijn.

Test uw begrip

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 methode realiseert bedrading met hoge dichtheid door, in plaats van een grote silicium-interposer, alleen op de verbindingsplaats tussen chips een klein stukje silicium in te bedden?

  1. AWire-bondingmethode
  2. BSiliciumbrug-methode
  3. CLeadframe-methode
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Siliciumbrug-methode

Bij de siliciumbrug-methode wordt in het packagesubstraat een klein stukje silicium ingebed dat alleen het verbindingsdeel tussen aangrenzende chips bedekt, en daarin wordt fijne bedrading gemaakt waarmee de chips met hoge dichtheid worden verbonden. Omdat geen grote interposer onder de gehele chip nodig is, kunnen de kosten worden beperkt en zijn ook grotere packages dan het belichtingsveld mogelijk. Intels EMIB is een bekend voorbeeld. Met draden of een leadframe is deze dichtheid niet haalbaar.

Wat is het belangrijkste voordeel van een interposer met herbedradingslaag (RDL) van organische isolatiefilm en koperbedrading in plaats van een silicium-interposer bij 2.5D-integratie?

  1. AEr kan altijd fijnere bedrading worden gevormd dan bij silicium
  2. BTSV's zijn niet meer nodig en koeling is helemaal niet meer nodig
  3. CDe kosten zijn gemakkelijker te beperken en ook interposers met een groot oppervlak zijn gemakkelijk te maken
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. De kosten zijn gemakkelijker te beperken en ook interposers met een groot oppervlak zijn gemakkelijk te maken

Een RDL-interposer van organisch materiaal gebruikt geen siliciumwaferprocessen, waardoor de kosten gemakkelijker laag te houden zijn, en heeft het voordeel dat hij flexibel is en gemakkelijk groter te maken. De thermische uitzettingscoëfficiënt ligt dicht bij die van het packagesubstraat, wat de spanning in de verbindingen kan verminderen. De fijnheid en dichtheid van de bedrading blijven echter vaak achter bij silicium-interposers; ze worden daarom naar gelang de toepassing gekozen of gecombineerd met een siliciumbrug alleen op plaatsen waar hoge dichtheid nodig is.

  1. Welke methode wordt gebruikt om een silicium-interposer te maken die groter is dan het maximale gebied dat een belichtingsapparaat in één keer kan belichten (circa 26 mm × 33 mm)?
  2. Wat is de belangrijkste reden om bij een GPU voor AI de GPU-chip en HBM naast elkaar op één silicium-interposer te monteren?
  3. Wat is het juiste verschil tussen 2.5D- en 3D-integratie?

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

Belangrijke termen uitgelegd

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.
Herbedradingslaag (RDL)
Bedradingslaag op het oppervlak van een chip of wafer waarmee de positie van elektroden naar die van de externe aansluitingen wordt geleid. Gebruikt in fan-out-behuizingen en interposers.
TSV (through-silicon via)
Elektrode die door het siliciumsubstraat heen loopt. Verbindt gestapelde chips over een korte afstand verticaal met elkaar.
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.
HBM (high bandwidth memory)
Geheugen waarin meerdere DRAM-dies met TSV's worden gestapeld en dat met een zeer brede bus een hoge bandbreedte levert.
Chiplet
Kleine chip die per functie apart is gemaakt. Meerdere chiplets worden in één package verbonden tot een groter systeem.
Microbump
Veel kleinere bump dan een gewoon soldeerballetje, gebruikt voor de verbinding tussen met TSV gestapelde chips of tussen chip en interposer. De pitch is enkele tientallen µm.

Verwante vergelijkingen