基于有源硅转接板的晶圆级3D Chiplet集成技术
本技术面向高性能低功耗下一代网络转发应用,提出具有交换/缓存/调度/供电功能的可重构标准底座架构,采用55nm工艺节点制造了功能晶圆,突破了在含有Low-k结构的有源晶圆上通过封装工艺制造TSV的关键技术瓶颈,成功开发了有源硅转接板的TSV全流程制造工艺,并实现了4颗网络处理芯粒在有源TSV转接板上的三维堆叠,形成了3D Chiplet模组,该模组可实现柔性可重构、低延时的网络转发能力,提升了我国在该技术的核心竞争力。
本技术在协同设计方面,进行了全新的3D Chiplet架构设计,提出具有交换/缓存/调度/供电功能的可重构标准底座架构;引入了新的数学建模方法,将封装基板的规划与多芯片堆叠相结合,解决了三维多芯片堆叠及封装协同的设计困难,经过算法优化,多层芯片利用率均在90%附近;有源硅转接板上集成了电源模块、存储、路由等功能,突破了多die和有源硅转接板和基板的协同设计,解决了3D Chiplet电源配送网络设计难的问题,相比于传统在基板上集成电源的方案,片上集成方案减少了83.9%的焦耳热损耗,TSV路径的最大电流密度减小了60.2%,在10GHz下,电压噪声ripple由2%降为1.67%,该构架可实现柔性可重构、低延时的网络转发能力。
本技术在三维集成封装方案方面,提出了兼容封装工艺和装备的有源硅转接板via-last TSV制造新方案,实现了有源TSV转接板的制造,打破了晶圆厂via-middle TSV制作有源硅转接板方案的技术垄断,填补了国内的空白。针对有源硅转接板的Low-K层刻蚀问题、Low-K层吸水影响电性能问题,提出双台阶TSV结构,并在TSV刻蚀前通过沉积无机介质层对low-k层侧面进行保护以解决刻蚀和吸水等问题,最终打通整个工艺流程,并保证了良好的电学互连性能。通过对TSV关键工艺的攻关,最终实现了10*100μm TSV、正面3层金属互连、背面1层金属互连、最小线宽/线距为10μm/10μm、面积为22.05mm×19.8mm的有源硅转接板的制造。同时,基于制造的有源硅转接板实现了4颗网络处理芯片的集成,开辟了3D Chiplet的全新集成方案。