探討延續摩爾定律的新方法｜半導體行業觀察

來源：本文由公眾號半導體行業觀察（ID：icbank）翻譯自「allaboutcircuits」，作者 Gary Elinoff，謝謝。

當心摩爾定律！對內存的需求不斷增長，迫使半導體公司在晶元上增加更多的晶體管。

Xperi公司推出了一種新的半導體器件IC封裝鍵合技術，他們將其命名為DBIUltra。

DBI Ultra是Invensas的DBI wafer-to-wafer混合鍵合技術的後續產品，該技術已廣泛應用於智能手機圖像感測器的生產。DBI代表直接鍵合互連（direct bond interconnect），這是一種直接將兩層半導體晶圓「在室溫下無需任何壓力或粘合劑」放置在一起的方法。Invensas表示，DBI在各種應用領域都發揮了重要作用，包括移動設備、物聯網設備，以及工業、汽車和醫療行業的各種應用。

最新的DBI Ultra技術將在3D堆疊存儲器，以及需要將存儲器與CPU、GPU、FPGA或SoC集成的2.5D和3D應用中取得類似的成功。

2.5D與3D IC：支持下一代集成電路

或許你以前見過「3D IC」這個術語，或許它與2D IC形成了鮮明對比。但是2.5D呢？

在2.5D結構中，裸片不會堆疊在其他裸片之上或之下。相反，裸片被封裝在一個平面上，並相互連接。

對於3D結構，就像DBI Ultra這樣的工藝所實現的那樣，裸片被多層堆疊在一起。因此，真正的3D拓撲是可能的。

通過3D集成，工程師可以在第三維中向上構建，而不是將更多器件塞入給定的長度和寬度的空間。顯而易見的類比是，不是將更多的公寓塞進一層建築用地，而是建造第二層，然後在其上面建第三層，依此類推。以後的每一層都可以容納跟一層一樣多的住戶，電子器件的形式亦然。

在「樓層」之間實現電氣連接的「樓梯」稱為TSV（硅通孔）。TSV的短長度使得晶元之間的電氣通路更加緊密，這對於當今和未來的電子設備所需的超快帶寬至關重要。

IDBI wafer-to-wafer混合鍵合連接兩個晶圓（圖片來源：Invensas）

Invensas總裁Craig Mitchell稱DBI Ultra是「最終的3D互連和集成解決方案。這種具有生產價值的die-to-wafer混合鍵合平台使半導體行業能夠超越摩爾定律，為下一代電子產品提供前所未有的2.5D和3D集成靈活性。」

值得一提的是，摩爾定律在技術上是指晶元上晶體管的密度。也許最準確的說法是，Xperi在這裡避免了挑戰摩爾定律所帶來的典型問題，即在晶元上增加更多的層，而不是傳統的在IC中封裝更多晶體管的方法。

何為高帶寬存儲器堆疊？

HBM代表高帶寬存儲器。這種密集存儲器的堆疊是由垂直堆疊的裸片構成的。垂直堆疊意味著更短的電路徑，從而實現更快的內存速度。

多年來，3D內存一直是熱門話題，包括2016年美光的HMC （hybrid memory cube，混合存儲器立方體）和今天的Promwad等。三星、SK海力士半導體和Yangste Memory Technologies公司一直在追求3D快閃記憶體。東芝的存儲器單元也在這一領域掀起了波瀾，介紹了BiCS 3D快閃記憶體的裸片堆疊方法，用於更密集的內存（上次我們查看的結果是96層）。

由Xperi的Invensas子公司生產的DBI Ultra將使製造12-high HBM堆疊和12-high HBM堆疊成為可能，這是一項重要的進步，因為它滿足了下一代高性能計算對封裝高度和性能的苛刻要求。

最新的JEDEC標準僅規定了12-high HBM堆疊，因此Xperi使用DBI Ultra可以達到12-high HBM堆疊，這一點值得注意。

wafer-to-wafer、die-to-wafer以及die-to-die鍵合（圖片來源：Invensas）

DBI Ultra支持室溫混合鍵合，特別適用於高密集封裝的存儲器應用。它放棄了傳統的銅柱和底部填充，這使得更薄的堆疊仍然能夠實現精細的互連，最小可達1μm互連間距。

圍繞行業

電子設計中的兩個最緊迫的要求是：需要更快地處理信息，以及需要使用更少的功率來處理信息。這兩個優勢都是通過die-to-wafer和die-to-die鍵合進一步發展的。毫不奇怪，業界對這項技術非常感興趣。

• Samsung的Flashbolt提供410千兆位元組/秒（GBps）的數據帶寬和16GB的內存。它旨在應用於超級計算機、圖形系統和AI。各種來源報告說，它是在8-high HBM堆疊配置中構建的。由於當今主流技術對功率和速度的限制，AMD也是積極擁抱HBM存儲器的公司之一。

HBM 存儲器（圖片來源：AMD）

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