矽中介層、有機中介層、矽橋的差異:佈線密度、尺寸、成本比較

在 2.5D 封裝中,處理器與 HBM 等多顆晶片並排放置,以遠比封裝基板細微的佈線相連。中繼的方式大致有三種。矽中介層是以晶圓的佈線製程做出細微佈線的矽板,鋪在所有晶片下方。有機中介層以樹脂絕緣膜與銅佈線堆疊而成的重佈線層(RDL)製作。矽橋則是把做有細微佈線的小矽片,只埋在晶片彼此相接的部分下方。佈線細微度以矽中介層占優勢,尺寸與成本則以有機中介層或矽橋占優勢。依所需的佈線數量與封裝大小選擇使用。

項目矽中介層有機中介層(RDL)矽橋
製作方式在矽晶圓上,以半導體的佈線製程(銅鑲嵌)製作多層細微佈線與 TSV在載板上把樹脂絕緣膜(聚醯亞胺等)與電鍍銅佈線堆疊多層製作把做有細微佈線的小矽片,埋入封裝基板或重佈線層中
放置矽的範圍在所有晶片下方鋪一整片大矽板不使用矽,在所有晶片下方鋪重佈線層只放在相鄰晶片邊緣彼此的下方。其他部分以一般基板的佈線連接
佈線細微度(線寬/間距)的參考值最細。一般為 1 µm 左右或以下比矽粗。一般以 2 µm 左右為參考,層數也較少矽橋部分與矽中介層一樣細
尺寸限制要超過曝光單次的範圍(約 26 mm × 33 mm),需要把各次曝光連接起來的拼接曝光,尺寸越大越昂貴比矽中介層容易大型化矽橋本身很小,放置多個矽橋就容易對應比曝光範圍更大的封裝
是否需要 TSV需要。貫穿中介層,連接上方晶片與封裝基板不需要。以重佈線層的導通孔連接上下在多數埋入基板的方式中,矽橋本身不需要 TSV。電源與許多訊號在矽橋外側直接與基板相連
成本高。需要大面積的矽與 TSV 製程比矽中介層容易壓低矽的面積小,比矽中介層容易壓低。但會增加埋入與對位的製程
熱膨脹與翹曲矽的熱膨脹係數遠小於有機基板,其差異造成的應力與翹曲,尺寸越大越成為問題熱膨脹係數接近封裝基板,容易減少接點的應力。另一方面,需要管理樹脂層的翹曲與尺寸變化封裝大部分是有機基板,整體翹曲接近一般基板。矽橋周圍的局部應力,以及細凸塊與粗凸塊的高度管理是課題
電氣特性佈線細而短。細佈線的電阻大,不適合長距離佈線佈線容易做厚,電阻較小。但佈線數量的密度較低高密度佈線只在晶片邊緣之間的短區間。電源不經過矽橋,可直接由基板供應
主要用途需要非常多佈線的處理器與多顆 HBM 的連接等佈線數量要求沒那麼嚴格,或需要大面積的小晶片連接在大型封裝中,只想讓晶片邊緣之間高密度相連的小晶片或 HBM 連接

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

矽中介層
適合以佈線密度為最優先時。是在以數千條佈線連接處理器與多顆 HBM 的構成中被廣泛使用的方式。
有機中介層(RDL)
適合不需要矽那樣的佈線密度、想優先考量成本或尺寸時。想減少熱膨脹差異造成的接點應力時也有利。
矽橋
適合想把封裝做大、同時只在晶片之間的交界處需要高密度佈線時。減少矽的面積以壓低成本。

常見問題

中介層比曝光範圍更大時怎麼辦?

單次曝光能涵蓋的範圍(光罩尺寸)限制在約 26 mm × 33 mm。比這更大的矽中介層,是以拼接曝光製作,也就是在相鄰曝光的邊界把佈線精確地接起來。不過尺寸越大,成本、良率與翹曲的管理越困難,因此也會考慮有機中介層或矽橋。

矽橋與矽中介層最大的差異是什麼?

在於放置矽的範圍。矽中介層在所有晶片下方鋪一大片矽板,矽橋則只在晶片彼此相接的部分下方放置小矽片。只在需要高密度佈線之處使用矽,因此容易節省面積與成本。

佈線細微度差多少?

參考值上,線寬與間距在矽中介層為 1 µm 左右或以下,在有機中介層為 2 µm 左右,一般的封裝基板則更粗。數值會隨世代與方式改變,但矽能使用半導體的佈線製程,因此能做得更細。

有機中介層與矽橋可以搭配嗎?

可以。也有在重佈線層中埋入小矽片、只在需要高密度的部分以矽佈線相連的構成。這些方式多半由各廠商以自己的名稱稱呼,因此與其只看名稱,不如確認矽用在哪裡、是否有 TSV,會比較容易整理。

理解度檢測

下列關於2.5D封裝所使用的矽中介層(silicon interposer)的作用,何者正確?

  1. A用來冷卻晶片的散熱器
  2. B並排承載多個晶片,並以微細配線高密度連接的中繼基板
  3. C曝光所使用的光罩
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正確答案:B. 並排承載多個晶片,並以微細配線高密度連接的中繼基板

矽中介層是利用半導體的配線製程,製作出1 µm以下微細配線的矽質中繼基板。多個晶片(如處理器與HBM)並排放置於其上,以配線寬度為數十µm的一般有機封裝基板無法實現的高密度配線相連。中介層本身透過TSV與封裝基板相連。它與冷卻零件或光罩無關。

不使用大型矽中介層,而是僅在晶片之間的連接部分嵌入小矽片,以實現高密度配線的方式是下列何者?

  1. A打線接合方式
  2. B矽橋接方式
  3. C導線架方式
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正確答案:B. 矽橋接方式

矽橋接方式是在封裝基板中嵌入僅覆蓋相鄰晶片連接部分的小矽片,並在其上製作微細配線,使晶片之間高密度相連。由於不需要鋪在整個晶片下方的大型中介層,既能控制成本,也能做出超過曝光範圍的大型封裝。Intel的EMIB是代表例。打線或導線架無法達到這樣的密度。

在2.5D封裝中,使用以有機材料絕緣膜與銅配線堆疊而成的重分佈層(RDL)中介層取代矽中介層,其主要優點是下列何者?

  1. A一定能形成比矽更微細的配線
  2. B不需要TSV,且完全不需要散熱
  3. C容易控制成本,也容易製作大面積的中介層
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正確答案:C. 容易控制成本,也容易製作大面積的中介層

有機材料的RDL中介層因不使用矽的晶圓製程而容易控制成本,具有柔軟性,也容易大型化。熱膨脹係數與封裝基板相近,也能減輕連接處的應力。另一方面,配線的微細度與密度多半不及矽中介層,因此會依用途區分使用,或只在需要高密度的部分與矽橋組合。

  1. 為了製造比曝光機一次可曝光的最大範圍(約26 mm × 33 mm)更大的矽中介層,所採用的方法是下列何者?
  2. 在AI用GPU中,將GPU晶片與HBM並排安裝在同一個矽中介層上的主要理由是下列何者?
  3. 下列關於2.5D封裝與3D封裝差異的敘述,何者正確?

前往先進技術(3D構裝與小晶片)的練習題

相關名詞的解說

矽中介層
並排放置多個晶片,並以細微配線高密度連接的矽中繼基板。用於GPU與HBM的連接等。
重佈線層(RDL)
形成於晶片或晶圓表面,用來將電極位置拉線到外部端子位置的配線層。用於扇出型封裝或中介層。
TSV(矽穿孔)
貫穿矽基板的電極。以很短的距離將堆疊的晶片上下互相連接。
2.5D封裝
將多個晶片橫向並排於矽中介層等中繼基板上,並以細微配線高密度連接的封裝方式。用於GPU與HBM的連接等。
HBM(高頻寬記憶體)
以TSV堆疊多個DRAM晶粒,藉由非常寬的匯流排寬度實現高頻寬的記憶體。
小晶片(Chiplet)
依功能分開製作的小型晶片。將多個小晶片在同一個封裝內連接起來,構成較大的系統。
微凸塊
用於以TSV堆疊的晶片之間,或晶片與中介層之間連接的凸塊,遠比一般的焊球小。間距約為數十µm。

相關的比較