第4代「香港飛龍」標誌 本文内容： 公衆號記得加星標??，第一時間看推送不會錯過。來源：內容編譯自semiengineering。電氣中介層爲在單個封裝內安裝多箇芯片提供了方便的表面，但儘管中介層線路理論上可以在任何地方佈線，但插入損耗限制了它們的實際長度。中介層（尤其是硅中介層）上的線路可能非常窄。較小的橫截面積會使這些線路具有電阻，信號傳輸距離越遠，質量就越差。設計人員可能希望使用較長的中介層線路，但結果可能令人失望。“在中介層上你做不到這一點，” Eliyan戰略營銷副總裁 Kevin Donnelly 表示。“先進封裝的走線不可能很長。”還有其他挑戰。要保持可接受的信號完整性，高速信號需要接地線和接地平面的幫助。但接地平面必須在製造過程中打孔，這會使返回信號路徑變得複雜。相比之下，光學中介層面臨的限制較少，因爲光信號在更大的中介層上傳輸的距離比電中介層更長。光學中介層旨在用於數據中心內的光子通信，中介層負責處理所有光子信號以及位於其上的電路。但它們短期內不會取代電中介層。降低損耗目前，生產中使用的中介層主要有兩種：有機中介層（也稱爲RDL，即重新分配層，因爲該技術最初用於扇出型封裝中的信號重新分配）和硅中介層（無機中介層）。有機中介層的生產成本要低得多，但其特徵尺寸比硅中介層更大。使用硅本身並不要求線路細。這是因爲需要儘量減少重新分佈層的數量。“你可以有更寬的信號線，但這樣你就需要更多的信號層來輸出相同數量的信號，”Donnelly 解釋道。“而且人們不想要 8 層或 10 層。他們想要製作四層中介層，所以他們使用彼此靠近的細線，這些線具有電阻性和電容性，並且損耗很大。”雖然線寬尺寸按芯片標準來說很大，但按PCB標準來說卻很小。聯華電子先進封裝總監Pax Wang表示：“對於有機材料，最低解決方案是2μm線寬和2μm線距。對於氧化物基電介質，通常線寬和線距爲0.5μm。”金屬厚度爲 3μm 的有機中介層可提供6μm2的線路橫截面積。就信號需要傳輸的距離而言，這構成了一條電阻線路。“它們之所以具有電阻，是因爲它們的橫截面積非常小，”安靠科技公司負責芯片和倒裝芯片封裝開發與集成的副總裁 Mike Kelly 說道。“它就像一條非常細的管道。”電阻會在較長的距離上降低信號電壓。“插入損耗通常是我們的客戶最擔心的問題，這意味着電壓會損失，”凱利說道。長度是否構成限製取決於線路的使用方式。大多數線路只是跨越兩個相鄰芯片之間的間隙，這兩個芯片之間的距離約爲 75 到 100 微米，但這種線路的長度可以達到 7 毫米。“在芯片上，當你運行數字走線時，你可以插入中繼器和緩衝器，”唐納利解釋說。“你不能對運行在這裏的模擬信號這樣做。所以，對於一根簡單的裸銅線來說，5毫米或4毫米長的走線已經相當長了。”由於 HBM 信號的位置，與 HBM 的連接通常更長。“通常，HBM 的 I/O bank 位於器件的中間，”Kelly 說道。“走線往往會更長，但速度會更慢。HBM4 的起始速度爲每條物理線路 6.4 Gbps。UCIe 的規格最高可達 32 Gbps，但走線總是短得多。”即使處理器產生的熱量會對內存產生不利影響，HBM 堆棧也必須靠近處理器，以保持線路最短。“如果可以的話，大多數客戶都希望 DRAM 的位置離處理器遠一點，”他說。即便如此，仍可能採用更長的線路。“設計師們正在尋找足夠長的金屬線，能夠至少跨越一半的光罩，”王說。與此同時，無掩模光刻技術可以製作更窄的線路。“我們可以做到 30 納米，”Multibeam 總裁 Ken MacWilliams 說道。目前還沒有人能爲主流中介層製作如此細的線路，但這種精度對於糾正芯片和橋接器的對準問題尤其有用。傳輸線不太可能電阻是線路的一箇重要特性，但並非唯一考慮因素。電阻名義上對信號頻率不敏感，但整體信號完整性很大程度上取決於信號切換的速度。信號完整性取決於線路的總阻抗及其長度。長度超過半波長的線路通常必須被視爲傳輸線，需要控制線路阻抗。例如，15毫米是10 GHz信號波長的一半。在異常長的線路上，這將是非常快的信號，因此在大多數情況下，無需使用微帶線或帶狀線技術來創建阻抗控制線路。“你總是可以製作傳輸線，但這需要更昂貴的中介層才能實現合理的損耗，”Eliyan的Donnelly說道。然而，射頻電路可能需要這些技術。“我們見過需要射頻電路的客戶使用此類技術進行阻抗控制，” SkyWater Technology高級副總裁兼總經理 Bassel Haddad 指出。保持信號完整性信號完整性依賴於良好的接地，這通常由接地層提供。這樣的接地層在中介層中可以單獨作爲一層，併發揮三種功能。“它用於供電、阻抗控制以及作爲返迴路徑，” Haddad 解釋道。受控阻抗在很大程度上維持了信號相對於自身反射的質量。但即使是較短的線路也可能受到相鄰線路的干擾或串擾，而非常快速的接口可能會產生非常嘈雜的環境。因此，即使嚴格的傳輸線可能並非必要，但它們仍然有助於保護敏感信號，方法是用地線將其環繞起來。“如果是一條長信號走線，設計人員將竭盡全力控制損耗並保持接地金屬圍繞該高速走線，無論是上下平面還是信號佈線平面中的交錯共面接地走線，”凱利說。但是中介層和芯片上的接地平面與PCB上的接地平面不同，PCB上可以有實體平面。“你說的是一種華夫格柵，金屬含量大概是50%，”Kelly說。“連續的接地平面很難容忍，因爲製造過程中通常需要排出一些氣體。所以你需要這些所謂的排氣孔。”如果敏感信號必須被地線包圍，這些信號可以位於地平面的上方和下方，並在信號線或總線的兩側佈置地線，以減少環路電感。“假設你有10條間距爲4微米的走線，”Kelly說。“你需要在它們下方佈置一箇大的地平面。在這種情況下，最好的辦法可能是將所有返回電流‘隔開’。它們不能直接穿過走線下方，因爲它們必須穿過‘隔開’的地平面，但這仍然很安全。”圖1：帶排氣孔的接地層。接地層可以放置在其保護的信號下方或上方（或兩者皆可）。藍色箭頭指示接地層下方每條紅色信號路徑的粗略電流返迴路徑。對於其中兩個信號，返回電流必須繞過排氣孔除了依靠中介層來維持乾淨的信號，另一種方法是將這項任務交給封裝基板。在這種情況下，目標是使用硅通孔 (TSV) 儘快將信號從中介層分離出來，這種技術可以直接將信號傳輸到基板上。王先生說：“業界正在努力降低 TSV 的厚度。然後，我們將信號直接傳輸到 ABF 基板。它們的金屬線更粗，可以產生比密集中介層更好的阻抗。”然而，這僅適用於驅動封裝上外部焊球的信號，儘管從技術上講，可以將一箇 TSV 向下延伸至基板，再將另一箇 TSV 向上延伸至中介層。中介層的好處在於允許尺寸小於基板上可能尺寸的信號，因此，依賴基板來傳輸原本會留在中介層上的信號意義不大。有源光子中介層光子技術正逐漸深入數據中心，其傳輸距離比過去僅以公里爲單位的光纖傳輸距離縮短了幾個數量級。在數據中心交換機上，單根光纖可以工作在多種波長和模式下，從而提供更大的帶寬，同時擴展可服務的端口數量（稱爲基數）。傳統的服務器光子連接由可插拔的光學器件組成，這些器件在服務器邊緣將光信號轉換爲電信號，並通過電 SerDes 傳輸剩餘距離。但較新的研究方向是將光信號一路傳輸到封裝中，從而通過消除 SerDes 線路來節省功耗。這將光信號引入封裝，在那裏轉換爲電信號進行計算，然後再轉換爲光信號通過光纖傳輸。Lightmatter 的 Passage 實際上是一種光子中介層，可以在封裝內實現這一功能。Lightmatter 產品副總裁 Steve Klinger 表示：“出於各種原因，業界一直在嘗試讓光學器件更貼近芯片。最終的解決方案是將光學器件集成到封裝中，而最極端的情況是將光學器件實際集成到中介層中，並將芯片直接集成在光子芯片的頂部。”Passage 將 CMOS 和硅光子技術結合在一箇中介層中，該中介層可以處理光域和電域之間的轉換，幷包含控制光子學的電路。因此，它是一種有源中介層。電子芯片可以像任何其他中介層一樣安裝，但中介層本身會將電信號轉換爲光信號，通過波導進行路由，並在將信號傳輸到芯片時再轉換回電信號。這意味着放置在中介層上的芯片不需要電光轉換器。“Passage 芯片上安裝的芯片確實有 SerDes，但它們的傳輸距離非常短，因爲它們的電氣驅動距離非常小，”Klinger 指出。“你不必把 SerDes 電路全部放在芯片邊緣。它們可以位於芯片區域的任何位置。這是這種集成的優勢之一。這樣可以消除海岸線上的瓶頸。”光的行爲與電子截然不同，光子“電路”並非真正的電路，因爲它們不遵循基爾霍夫定律等守恆定律。迴流根本不存在。因此，波導可以傳輸更遠的距離，且損耗極小。Lightmatter 已經制造出尺寸高達八個光罩的中介層，其波導在連接點處的損耗極小。短期內難以改變中介層中金屬線的侷限性是根本性的，不太可能改變。對於信號密度較低的設計，或許可以通過加寬線寬來改善這種情況，但當非常寬的總線必須跨芯片時，這將非常困難。厚度是另一箇值得探索的參數。“在硅中介層上，我們認爲厚度等於或大於2微米的金屬可以解決這類問題，”王說。最終，這變成了一項以保持線路最短的方式放置組件的練習。所有高速信號都必須經過徹底的信號完整性分析，以確保這些信號能夠在如此高的速度下真正有效地運行。這些檢查不僅應包括中介層上的線路部分，還應包括路徑上的每個組件，包括焊球和凸塊。任何接地平面都必須在仿真中進行建模。光子學可以提供一種長期解決這些線路長度限制的方法，但它尚未實現大批量生產，而且光子學還需要一段時間（如果有的話）才能服務於按照電氣標準很長但按照光學標準非常短的線路。https://semiengineering.com/physics-limits-interposer-line-lengths/*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅爲了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯繫半導體行業觀察。今天是《半導體行業觀察》爲您分享的第4070期內容，歡迎關注。加星標??第一時間看推送，小號防走丟求推薦 (本文内容不代表本站观点。) --------------------------------- |
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