En Ru
Будущее сборки микросхем: 2,5D или 3D?
“
Сборка и корпусирование интегральных схем (ИС) является ключевым этапом в процессе производства микросхем. Полупроводниковые кристаллы (собственно ИС) должны быть собраны в функциональных корпусах, которые защищают от воздействий окружающей среды, рассеивают тепло, имеют электрические контакты (вводы/выводы) и зачастую дополнительные функции, такие как формирование сигнала или передача электроэнергии. 2,5D/3D-сборки уже показали свой потенциал в вычислительной технике и позволили заменить транзисторное масштабирование на пути к повышению производительности, снижению энергопотребления и к достижению гетерогенной интеграции. 2,5D- и 3D-сборки легли в основу микросхем для искусственного интеллекта (ИИ), центров обработки данных (ЦОД) и периферийных устройств.
Введение
В процессе производства полупроводниковых устройств сборка и герметизация микросхем обычно осуществляется после изготовления кристаллов с ИС. Процесс включает в себя извлечение кристалла (обычно это происходит с порезанной на кристаллы полупроводниковой пластины) и его монтаж в корпус, обеспечивающий необходимую защиту и имеющий выводы. В результате получается электронный компонент, предназначенный для последующего монтажа в конечное изделие.
Укрупненный технологический маршрут состоит из следующих шагов:
· Производство полупроводников – это процесс создания кристаллов с ИС на полупроводниковых пластинах.
· Сборка и корпусирование микросхем: после создания кристаллов с ИС их необходимо поместить в корпус для защиты.
· Монтаж в конечное изделие: интегрирование собранных ИС в электронные устройства, например, такие как смартфоны или компьютеры.
Корпус защищает основные компоненты микросхемы (кристаллы с ИС и другие элементы – рис. 1) и упрощает последующее подключение к электрическим контактам для передачи данных и монтаж на печатную плату. Корпуса микросхем обычно также имеют функцию отвода тепла для поддержания работоспособности ИС.
В процессе производства полупроводниковых устройств сборка и герметизация микросхем обычно осуществляется после изготовления кристаллов с ИС. Процесс включает в себя извлечение кристалла (обычно это происходит с порезанной на кристаллы полупроводниковой пластины) и его монтаж в корпус, обеспечивающий необходимую защиту и имеющий выводы. В результате получается электронный компонент, предназначенный для последующего монтажа в конечное изделие.
Укрупненный технологический маршрут состоит из следующих шагов:
· Производство полупроводников – это процесс создания кристаллов с ИС на полупроводниковых пластинах.
· Сборка и корпусирование микросхем: после создания кристаллов с ИС их необходимо поместить в корпус для защиты.
· Монтаж в конечное изделие: интегрирование собранных ИС в электронные устройства, например, такие как смартфоны или компьютеры.
Корпус защищает основные компоненты микросхемы (кристаллы с ИС и другие элементы – рис. 1) и упрощает последующее подключение к электрическим контактам для передачи данных и монтаж на печатную плату. Корпуса микросхем обычно также имеют функцию отвода тепла для поддержания работоспособности ИС.
Источник: Springer
Рис. 1. Этапы развития сборки микросхем за последние 35 лет
В процессе эволюции сборки от 2D к 3D ее структура преобразилась из планарной в многоступенчатую, преодолевая ограничения, связанные с размерами, энергопотреблением, передачей сигнала и т.д. При 2D-сборке (рис. 2) кристаллы расположены на подложке или печатной плате и соединены с разводкой на ней с помощью проволоки или массива шариковых выводов (от англ. Ball Grid Array – BGA) с помощью флип-чип-монтажа.
Источник: Amkor
Рис. 2. Примеры 2D-сборок в пластиковых корпусах BGA
С увеличением количества транзисторов на кристалле (согласно закону Мура) длина и сложность межсоединений также увеличиваются, что приводит к повышению энергопотребления и замедлению передачи сигнала. Базовые проблемы, с которыми сталкивается 2D-сборка, заключаются в следующем:
· Интеграция: в 2D-cборке микросхемы и дискретные компоненты с различными функциями (например, логика, память и аналоговые/радиочастотные элементы и т. п.) расположены в отдельных корпусах, что ограничивает степень интеграции.
· Массогабаритные характеристики: впоследствии осуществляется поверхностный монтаж 2D-сборок на печатную плату, которая имеет большие размеры, вес и потребляет дополнительную энергию.
· Надежность: каждое сварное соединение на печатной плате является потенциальной точкой отказа.
· Производительность: поскольку требуется относительно много времени для передачи сигнала от одного блока микросхем к другому – это существенно влияет на производительность.
По мере того, как действие закона Мура замедляется, полупроводниковая промышленность, чтобы не отставать, перешла к инновационным технологиям сборки микросхем. 2,5D- и 3D-сборки (рис. 3) обеспечивают объединение нескольких микросхем в едином компактном исполнении, повышая тем самым скорость обработки данных и производительность конечных изделий [2].
· Интеграция: в 2D-cборке микросхемы и дискретные компоненты с различными функциями (например, логика, память и аналоговые/радиочастотные элементы и т. п.) расположены в отдельных корпусах, что ограничивает степень интеграции.
· Массогабаритные характеристики: впоследствии осуществляется поверхностный монтаж 2D-сборок на печатную плату, которая имеет большие размеры, вес и потребляет дополнительную энергию.
· Надежность: каждое сварное соединение на печатной плате является потенциальной точкой отказа.
· Производительность: поскольку требуется относительно много времени для передачи сигнала от одного блока микросхем к другому – это существенно влияет на производительность.
По мере того, как действие закона Мура замедляется, полупроводниковая промышленность, чтобы не отставать, перешла к инновационным технологиям сборки микросхем. 2,5D- и 3D-сборки (рис. 3) обеспечивают объединение нескольких микросхем в едином компактном исполнении, повышая тем самым скорость обработки данных и производительность конечных изделий [2].
Источник: Semiwiki.com
Рис. 3. Схематичное представление 2,5D- и 3D-сборок
Представьте, что ваш смартфон может плавно запускать множество приложений, а ваш ноутбук может выполнять сложные задачи с использованием ИИ без перегрева и замедления скорости работы. За такую плавную работу отвечает конструкция внутреннего чипа. С развитием технологий производители микросхем постоянно изобретают новые методы достижения более высоких производительности и КПД при уменьшении размеров. Архитектуры 2,5D- и 3D-микросхем являются двумя ведущими конкурентами, но какая из них действительно может повлиять на будущее развитие вычислительной техники? Это все равно что аккуратно расставлять книги на книжных полках (2,5D) и строить многоэтажную башню из книг (3D). Эти конструкции обладают различными преимуществами и недостатками относительно друг друга и могут использоваться для создания чего угодно – от повседневных устройств до суперкомпьютеров следующего поколения.
Углубимся в мир микросхем, чтобы понять, какая архитектура является ключом к будущим технологическим прорывам:
· В 2,5D-микросхеме чипы размещаются бок о бок на интерпозере, в 3D-микросхеме чипы размещаются вертикально.
· При 2,5D-сборке горизонтальное соединение осуществляется через интерпозер, в 3D используются вертикальные сквозные отверстия в кремнии (ThroughSiliconVias – TSVs).
· 3D-микросхемы могут обеспечить более высокую плотность интеграции, но требуют большего охлаждения и сложны в проектировании.
· 2,5D-микросхемы обладают характеристиками средней сложности, но более просты в проектировании и отводе тепла.
· Обе технологии направлены на повышение производительности, снижение энергопотребления, уменьшение занимаемой площади и позволяют преодолеть ограничения, вызванные масштабированием транзисторов.
Углубимся в мир микросхем, чтобы понять, какая архитектура является ключом к будущим технологическим прорывам:
· В 2,5D-микросхеме чипы размещаются бок о бок на интерпозере, в 3D-микросхеме чипы размещаются вертикально.
· При 2,5D-сборке горизонтальное соединение осуществляется через интерпозер, в 3D используются вертикальные сквозные отверстия в кремнии (ThroughSiliconVias – TSVs).
· 3D-микросхемы могут обеспечить более высокую плотность интеграции, но требуют большего охлаждения и сложны в проектировании.
· 2,5D-микросхемы обладают характеристиками средней сложности, но более просты в проектировании и отводе тепла.
· Обе технологии направлены на повышение производительности, снижение энергопотребления, уменьшение занимаемой площади и позволяют преодолеть ограничения, вызванные масштабированием транзисторов.
Что из себя представляет 2,5D-сборка?
2,5D-сборка представляет собой результат постепенного развития традиционной 2D-сборки. В отличие от 2D-формата, в котором микросхемы размещаются бок о бок на подложке, в 2,5D несколько активных элементов размещаются на промежуточном слое – интерпозере (от англ. interposer). Интерпозер обычно изготавливается из кремния или стекла, и его роль аналогична роли компактной высокоскоростной печатной платы, которая позволяет обеспечить короткую и быструю разводку между кристаллами с ИС и другими элементами на ней. Интерпозер обеспечивает наикратчайшую связь между микросхемами, что позволяет достичь высокой плотности соединений между ними по сравнению с 2D-сборкой.
Ярким примером является I-Cube4 от Samsung (рис. 4) – технология гетерогенной интеграции по архитектуре 2,5D. С ее помощью несколько логических кристаллов (CPU или GPU) размещаются вместе с несколькими элементами памяти поверх кремниевого интерпозера, который связывает всю конструкцию вместе. Такую компоновку можно рассматривать как единое целое, по сравнению с традиционными собранными по архитектуре 2Dмногокристальными модулями, в которых компоненты установлены на отдельной печатной плате. Поэтому 2,5D-сборка существенно увеличивает скорость передачи сигнала и энергоэффективность.
Ярким примером является I-Cube4 от Samsung (рис. 4) – технология гетерогенной интеграции по архитектуре 2,5D. С ее помощью несколько логических кристаллов (CPU или GPU) размещаются вместе с несколькими элементами памяти поверх кремниевого интерпозера, который связывает всю конструкцию вместе. Такую компоновку можно рассматривать как единое целое, по сравнению с традиционными собранными по архитектуре 2Dмногокристальными модулями, в которых компоненты установлены на отдельной печатной плате. Поэтому 2,5D-сборка существенно увеличивает скорость передачи сигнала и энергоэффективность.
Источник: Samsung
Рис. 4. Архитектура 2,5D-сборки
Еще примеры 2,5D-микросхем:
· Процессор Intel Kaby Lake-G: В этом процессоре используется технология Intel Embedded Multichip Interconnection Bridge (EMIB), позволяющая объединить центральный процессор и графический процессор GPU в одном корпусе.
· Видеокарта AMD Radeon Instinct MI25X: в ней используется технология AMD Interposer Bridge (IFB) для подключения нескольких стеков памяти к графическому процессору.
· Видеокарта NVIDIA Tesla V100: Эта видеокарта использует технологию NVLink от NVIDIA для соединения нескольких графических процессоров вместе.
Однако ограничения закона Мура и особенности сборки микросхем по-прежнему будут приводить к тому, что мы будем сталкиваться с новыми узкими местами. Всеобщая миниатюризация устройств ведет к уменьшению размера всего чипа или корпуса, включая все резисторы, межсоединения и другие компоненты. По мере приближения предела действия закона Мура задача миниатюризации устройств становится все сложнее, а скорость, с которой она решается, замедляется. В то же время затраты на технологию, проектирование, анализ и производство чипов становятся все выше и выше.
Более того, имеются физические ограничения, поскольку модули в конечных изделиях расположены бок о бок, и добавление большего количества микросхем в любом случае ведет к увеличению занимаемой площади. Также растет количество транзисторов, и разработчики не могут извлечь выгоду из-за возросшей сложности проектирования, объединяя все больше и больше устройств в один корпус.
· Процессор Intel Kaby Lake-G: В этом процессоре используется технология Intel Embedded Multichip Interconnection Bridge (EMIB), позволяющая объединить центральный процессор и графический процессор GPU в одном корпусе.
· Видеокарта AMD Radeon Instinct MI25X: в ней используется технология AMD Interposer Bridge (IFB) для подключения нескольких стеков памяти к графическому процессору.
· Видеокарта NVIDIA Tesla V100: Эта видеокарта использует технологию NVLink от NVIDIA для соединения нескольких графических процессоров вместе.
Однако ограничения закона Мура и особенности сборки микросхем по-прежнему будут приводить к тому, что мы будем сталкиваться с новыми узкими местами. Всеобщая миниатюризация устройств ведет к уменьшению размера всего чипа или корпуса, включая все резисторы, межсоединения и другие компоненты. По мере приближения предела действия закона Мура задача миниатюризации устройств становится все сложнее, а скорость, с которой она решается, замедляется. В то же время затраты на технологию, проектирование, анализ и производство чипов становятся все выше и выше.
Более того, имеются физические ограничения, поскольку модули в конечных изделиях расположены бок о бок, и добавление большего количества микросхем в любом случае ведет к увеличению занимаемой площади. Также растет количество транзисторов, и разработчики не могут извлечь выгоду из-за возросшей сложности проектирования, объединяя все больше и больше устройств в один корпус.
Что из себя представляет 3D-сборка?
Источник: Siemens
Рис. 5. Архитектура 3D-сборки
Таким образом, несколько устройств могут быть интегрированы в один чип, занимающий меньше места. 3D-микросхемы можно разделить на два основных вида:
· 3D-SiP: система в корпусе (от англ. 3D-System-In-Package), которая реализуется традиционными методами сборки кристаллов в стек при помощи шариковых микровыводов и флип-чип монтажа.
· 3D-WLP: сборка на уровне пластины (3D-Wafer-Level-Package), которая представляет собой единый кристалл с различными ИС и элементами, соединенными через TSV.
Яркие примеры 3D-микросхем:
· Флэш-память KLUFG8R1EM от Samsung Electronics: сборка объединила в 3D-стеке восемь 64-слойных элемента памяти созданных по технологии V-NAND, объём составил 512 ГБ.
· Процессор Ryzen 9 5900X от AMD: чип с увеличенным L3-кешем за счет 3D-компоновки, поверх стандартного чиплета Zen 3 добавлен модуль памяти SRAM на 64 МБ.
· Тонкопленочные 3D-аналоговые интегральные схемы от компаний Oki Electric Industry и Nisshinbo Micro Devices: используют технологию, при которой функциональный тонкопленочный слой аналоговой ИС отделяется от подложки, а затем отделенный слой соединяется с другим тонкопленочным аналоговым слоем, разделенным изоляционным слоем оксида кремния. Соединение происходит за счет межмолекулярных сил (межмолекулярное соединение).
· 3D-SiP: система в корпусе (от англ. 3D-System-In-Package), которая реализуется традиционными методами сборки кристаллов в стек при помощи шариковых микровыводов и флип-чип монтажа.
· 3D-WLP: сборка на уровне пластины (3D-Wafer-Level-Package), которая представляет собой единый кристалл с различными ИС и элементами, соединенными через TSV.
Яркие примеры 3D-микросхем:
· Флэш-память KLUFG8R1EM от Samsung Electronics: сборка объединила в 3D-стеке восемь 64-слойных элемента памяти созданных по технологии V-NAND, объём составил 512 ГБ.
· Процессор Ryzen 9 5900X от AMD: чип с увеличенным L3-кешем за счет 3D-компоновки, поверх стандартного чиплета Zen 3 добавлен модуль памяти SRAM на 64 МБ.
· Тонкопленочные 3D-аналоговые интегральные схемы от компаний Oki Electric Industry и Nisshinbo Micro Devices: используют технологию, при которой функциональный тонкопленочный слой аналоговой ИС отделяется от подложки, а затем отделенный слой соединяется с другим тонкопленочным аналоговым слоем, разделенным изоляционным слоем оксида кремния. Соединение происходит за счет межмолекулярных сил (межмолекулярное соединение).
Выводы
Оба метода сборки позволяют устанавливать больше микросхем и элементов в одном корпусе, тем самым повышая производительность. Поскольку скорость уменьшения размеров транзисторов снижается, инновационные технологии “за рамками закона Мура”, такие как 2,5D- и 3D-сборки, являются ключом к повышению производительности микросхем. Они позволяют:
· обеспечить более быструю передачу данных за счет сокращения длины межсоединений;
· сократить энергопотребление за счет эффективности передачи сигналов;
· улучшить массогабаритные характеристики;
· интегрировать множество элементов в одном чипе.
Согласно рыночному прогнозу Yole Developpement, объем рынка современных чипов вырастет к 2030 году до 43,5 млрд долларов США, что обусловлено спросом в областях ИИ, 5G, высокопроизводительных компьютеров и автомобилестроения.
Для производителей выбор между 2,5D- и 3D-сборкой зависит от требований к эффективности, мощности, размерам и стоимости конечного изделия. 2,5D обеспечивает сбалансированное и экономичное решение, в то время как 3D расширяет границы производительности благодаря более высокой плотности интеграции. Будущее полупроводников в значительной степени будет зависеть от того, смогут ли эти архитектуры удовлетворить растущие потребности рынка. Инженерам, инвесторам и любителям технологий важно понимать текущие тренды в области сборки микросхем.
· обеспечить более быструю передачу данных за счет сокращения длины межсоединений;
· сократить энергопотребление за счет эффективности передачи сигналов;
· улучшить массогабаритные характеристики;
· интегрировать множество элементов в одном чипе.
Согласно рыночному прогнозу Yole Developpement, объем рынка современных чипов вырастет к 2030 году до 43,5 млрд долларов США, что обусловлено спросом в областях ИИ, 5G, высокопроизводительных компьютеров и автомобилестроения.
Для производителей выбор между 2,5D- и 3D-сборкой зависит от требований к эффективности, мощности, размерам и стоимости конечного изделия. 2,5D обеспечивает сбалансированное и экономичное решение, в то время как 3D расширяет границы производительности благодаря более высокой плотности интеграции. Будущее полупроводников в значительной степени будет зависеть от того, смогут ли эти архитектуры удовлетворить растущие потребности рынка. Инженерам, инвесторам и любителям технологий важно понимать текущие тренды в области сборки микросхем.
ЛИТЕРАТУРА
1. Asadizanjani N., Reddy Kottur H., Dalir H. Introduction to IC Packaging Development and Assembly Processes // Introduction to Microelectronics Advanced Packaging Assurance. Synthesis Lectures on Engineering, Science, and Technology. Springer, Cham. 2025. https://doi.org/10.1007/978-3-031-86102-4_1.
2. Park H. et al. Design and Fabrication of the Double-Sided Silicon Microstrip Sensor // J. Korean Phys. Soc. 49. 1401 (2006).
2. Park H. et al. Design and Fabrication of the Double-Sided Silicon Microstrip Sensor // J. Korean Phys. Soc. 49. 1401 (2006).
Данная статья опубликована в журнале «ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ» - Размещен в Спецвыпуске/2025 к Форуму Микроэлектроника