傻白入门芯片设计，Substrate/RDL/Interposer/EMIB/TSV（三）
目錄
一、Substrate（襯底或基板）
（1）硅工藝的互連襯底
（2）封裝有機基板
（3）基礎知識科普
二、RDL Interposer 技術
三、硅中介層（Si Interposer）
四、嵌入式硅橋（EMIB）
五、硅通孔 TSV（Through Silicon Vias）
六、總結
一、Substrate（襯底或基板）
襯底和基板都可以用英文中的單詞substrate來表示。襯底是指用于電子產品封裝的板材，它提供了電子元器件的支撐和電氣連接。襯底的材料可以是硅、陶瓷或有機材料，具體選用哪種材料取決于應用的特定要求。
最常見分兩種，一種是硅工藝的互連襯底，另一種是封裝有機基板，具體來說：
（1）硅工藝的互連襯底
硅工藝的互連襯底是指使用硅材料制作的基板，用于電子產品的封裝。硅是一種半導體材料，具有較高的熱導率和電導率，因此在封裝電子產品時常常使用硅基板。硅基板的生產工藝比較復雜，需要經過多個步驟，包括硅片的切割、表面處理、基板制備和定向處理等。
硅工藝的互連襯底具有較高的熱穩定性，可以在高溫條件下使用。此外，硅基板的電氣性能也很好，具有較低的電阻和較高的電容，因此在高頻電路的應用中非常常用。但是，硅基板的生產成本較高，因為它們的生產工藝比較復雜，并且在生產過程中使用的材料也較昂貴。
（2）封裝有機基板
封裝有機基板（Organic Substrate）是一種通常用于芯片封裝的基板材料。它的主要成分是有機材料，通常是基于聚酯、玻璃纖維或陶瓷材料的有機復合材料，具有較低的熱導率和較高的電氣絕緣性能，這使得它們在高頻電路的應用中具有一定的優勢。此外，封裝有機基板的生產成本通常比硅基板低，因為它們的生產工藝更簡單，而且在生產過程中可以使用較低成本的材料。
盡管封裝有機基板具有一些優勢，但它們也存在一些局限性。封裝有機基板的溫度穩定性較差，通常不能在高溫條件下使用。此外，封裝有機基板的電氣性能也較差，具有較高的電阻和較低的電容。這使得它們在高頻電路的應用中受到限制（要求更有效地傳輸和儲存電荷）。
在選擇封裝基板時，應考慮應用的特定要求，并綜合考慮各種因素，如材料性能、生產成本、溫度穩定性和電氣性能等。
封裝有機基板工藝相對于硅工藝的互連襯底工藝有以下優勢：
- 材料成本低：封裝有機基板的材料成本低，相對于硅工藝的互連襯底材料成本降低很多。
- 生產成本低：封裝有機基板的生產成本低，相對于硅工藝的互連襯底生產成本降低很多。
- 可靠性高：封裝有機基板的可靠性高，相對于硅工藝的互連襯底可靠性更高。
相對于硅工藝的互連襯底，封裝有機基板工藝成熟，在材料和生產成本上有巨大優勢。
（3）基礎知識科普
A.關于熱導率：是指物質對熱的傳導能力的度量。它是表示物質內部的熱流密度與表面溫度差的函數。熱導率越大，物質對熱的傳導能力就越強；熱導率越小，物質對熱的傳導能力就越弱。因此，較低的熱導率意味著物質對熱的傳導能力較弱，在同樣的溫度差下，物質內部的熱流密度也就較低。這意味著，使用具有較低熱導率的材料可以更有效地散熱，在高溫條件下也可以保持較低的溫度。
B.關于電導率：是指物質對電流的傳導能力的度量。它是表示物質內部電流密度與電動勢差的函數。電導率越大，物質對電流的傳導能力就越強，在同樣的電動勢差下，物質內部的電流密度也就較高；電導率越小，物質對電流的傳導能力就越弱。這意味著，使用具有較高電導率的材料可以更容易地傳導電流。
C.電氣絕緣性：是指物質對電流的隔絕能力的度量。它是表示物質內部電流密度與表面電動勢差的函數。電氣絕緣性越高，物質對電流的隔絕能力就越強；電氣絕緣性越低，物質對電流的隔絕能力就越弱。因此，具有較高電氣絕緣性的物質可以隔絕電流，并且在電場作用下不會產生電流。在電子封裝領域中，電氣絕緣性能是一個重要的指標。具有較高電氣絕緣性能的基板可以隔絕電流，并且在電場作用下不會產生電流，這對于電路的可靠性和穩定性是非常重要的（由于高頻電路中的信號頻率很高，因此較高的電氣絕緣性可以減少電流的漏失，保障信號的傳輸效率和穩定性）。
D.熱穩定性：是指物質在受到熱刺激時，不會發生結構變化或性能變化的能力。它是表示物質在高溫條件下結構和性能的穩定性的度量。熱穩定性越高，物質在受到熱刺激時就越不會發生結構變化或性能變化；熱穩定性越低，物質在受到熱刺激時就越容易發生結構變化或性能變化。
E.電阻和電容：是兩個重要的電氣特性，它們對于電子元器件在電路中的行為起著重要作用。
在高頻電路中，電子元器件必須具有較低的電阻和較高的電容，這樣才能有效地傳輸和儲存電荷，從而使電路正常工作。
二、RDL Interposer 技術
RDL Interposer是一種常用的封裝技術，常用于制造集成電路和其他電子元器件。該技術在硅襯底上通過等離子刻蝕等技術制作帶有通孔（TSV）的硅基板，該硅基板可以為芯片提供互連基礎。在硅基板的正面和背面制作重新分配層（RDL），可以為 TSV 和硅襯底上集成的芯片提供互連基礎。RDL Interposer 技術可以提高信息傳輸的效率和穩定性，在制造集成電路和其他電子元器件方面具有較高的應用價值。
RDL（Redistribution Layer）是指再分配層，是一種用于電子產品封裝的技術。它主要用于將外部電路連接到芯片的內部電路。RDL主要由金屬層和基板組成，可以在基板上形成微小的金屬引腳，用于連接不同的電路。RDL Interposer封裝技術可以將芯片與芯片之間的電路連接距離變得更小，使芯片封裝的密度更高，使信號走線寬度和間距大幅度降低，從而提高單位面積的信號密度，提高電路的性能。
主要原理就是在晶片表面沉積金屬層和介電層。它形成了一個再分配層，以攜帶相應的金屬布線模式，并在芯片外的松散區域上重新排列芯片的IO端口。由于RDL形成的金屬布線的線寬和間距較小，從而提供了更高的互連密度，同時可以通過縮短電路長度來提高信號質量，通過減少芯片面積來提高芯片集成能力。
傳統封裝工藝步驟主要在裸片切割分片后進行，先對晶圓（Wafer）進行切割分片（Dicing），然后再封裝（Packaging）成各種形式。封裝過程中大部分工藝過程都是對晶圓進行操作，即在晶圓上進行整體封裝（Packaging），封裝完成后再進行切割分片。
三、硅中介層（Si Interposer）
Interposer 是一種中介層，常用于分布式系統中，它可以幫助上層或下層的節點之間進行信息交換（比如連接兩個芯片）。Interposer 通常可以使用微凸點（ubump）和 C4 凸點（C4 bump）與芯片、封裝基板進行電性能互連，實現芯片與封裝基板之間的信息交換。Interposer 可以用于提高芯片的性能和帶寬，以及使芯片更加緊湊。
Si Interposer 技術：Si Interposer 技術是基于硅工藝的傳統 2.5D 封裝技術。 該技術在基板和裸片之間放置了額外的硅中介層，Die之間的互連和通信是通過在襯板和芯粒之間放置額外的硅層來實現的，裸片堆疊在中介層的頂部。由于凸塊（Bump）允許的最小間距不足以支持多芯片互連和I/O需求，而硅中介層具有較高的細間距布線能力，堆疊芯片中再分布互連線。
Die之間的互連和通信是通過在襯板和芯粒之間放置額外的硅層來實現的，裸片堆疊在單個中介層的頂部。不再用線路板或者載板來作為承載芯片連接的載體，可以解決載板自身制造工藝極限所造成的封裝工藝瓶頸問題。
硅中介層會增加Package厚度。Interposer增加額外的成本，尤其是Interposer必須很大，如圖那樣，面積包含所有的Die，大大增加成本。最重要的問題是，Die的所有連接必須全部通過Interposer，包括不需要Die to Die通訊的信號。?
此外，值得注意的是，interposer有兩種，一種叫做無源中介層（Passive interposer）的2.5D封裝形式，中介層只有連接芯片的作用，資源并不能最大化利用，因此嘗試在中介層上使用有源邏輯。有源中介層（Active interposer）里包含電壓調節器和一個網絡，其中該網絡將內核的偏上存儲器各個部分連接在一起，可以實現電源管理、部分模擬電路以及系統輸入輸出等功能，可以實現SoC的基礎邏輯架構和傳感器。
無源中介層和有源中介層是兩種不同的層次結構，常用于分布式系統中進行信息傳輸和協調。它們的區別主要有以下幾點：
功能不同：無源中介層的主要功能是傳輸信息，而有源中介層的主要功能是協調系統的運行。
結構不同：無源中介層通常是一種無源結構，沒有自己的控制能力，只能依靠上層或下層的節點來進行控制。有源中介層通常是一種有源結構，具有自己的控制能力，可以自主協調系統的運行。
依賴關系不同：無源中介層依賴于上層或下層的節點，無法獨立運行。有源中介層具有自己的控制能力，可以獨立運行。
可靠性不同：無源中介層的可靠性取決于上層或下層的節點的可靠性，如果上層或下層的節點出現故障，無源中介層的可靠性也會隨之降低。有源中介層具有自己的控制能力，可以自主處理故障，因此可靠性較高
四、嵌入式硅橋（EMIB）
嘗試將基底技術和硅中介層技術結合起來。它在基板上集成了小的薄層——硅橋，用于芯片間的互連，并將硅橋嵌入封裝基板中，從而在性能和成本之間取得了良好的平衡。
?EMIB是一個嵌入在底層封裝基板中的小型硅芯片，并提供了模具之間的專用的超高密度互連。重要的是，EMIB的物理尺寸并不限制可以集成的模具的數量。相比之下，替代實現使用位于封裝襯底頂部的一大塊Si Interposer，并超過了要集成的模具的整個長度。大量的硅插入器使解決方案成本過高，容易出現翹曲等問題。
五、硅通孔 TSV（Through Silicon Vias）
硅通孔：一種穿通硅圓晶片或芯片的垂直互連結構，可以完成連通上下層晶圓或芯片的功能，是晶圓多層堆疊中有效提高系統整合度與效能的關鍵工藝。它實現了貫穿整個芯片厚度的垂直電氣連接，更開辟了芯片上下表面之間的最短通路。TSV封裝具有電氣互連性更好、帶寬更寬、互連密度更高、功耗更低、尺寸更小、質量更輕等優點。
通過硅通孔技術將多層芯片互連導通，是一項高密度封裝技術。例如存儲器芯片和處理器芯片可以通過硅通孔（Through Silicon Vias, TSV）技術的方式連接在一起，不再受載板布線線寬、線距、密度的限制，從而可以實現數據帶寬在接口上的提升。
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芯片相互靠得很近，所以延遲會更少，此外互連長度的縮短，能減少相關寄生效應，使器件以更高的頻率運行，從而轉化為性能改進，并更大程度的降低成本。TSV主要優點如下：
- 1、高密度集成：通過先進封裝，可以大幅度地提高電子元器件集成度，減小封裝的幾何尺寸，和封裝重量。克服現有的 2D-SIP (System In a Package 二維系統級封裝)和POP (package on package 三維封裝堆疊)系統的不足，滿足微電子產品對于多功能和小型化的要求。
- 2、提高電性能：由于TSV技術可以大幅度地縮短電互連的長度，從而可以很好地解決出現在 SOC（二維系統級芯片）技術中的信號延遲等問題，提高電性能。
- 3、多種功能集成：通過 TSV 互連的方式，可以把不同的功能芯片(如射頻、內存、邏輯、數字和 MEMS 等)集成在一起實現電子元器件的多功能。
- 4、降低制造成本：TSV 三維集成技術雖然目前在工藝上的成本較高，但是可以在元器件的總體水平上降低制造成本。
六、總結
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Substrate 是芯片的基底，是芯片的基礎構件。它通常是一塊硅片或其他半導體材料，用于承載芯片上的元件和連接器。
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Interposer 是一種中間層技術，用于連接兩個芯片。它通常是一塊硅基底，上面帶有微型連接器，用于將兩個芯片連接在一起。Interposer 可以用于提高芯片的性能和帶寬，以及使芯片更加緊湊。
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RDL（Redistribution Layer）是芯片上的一層連接層，用于將芯片上的電路重新分配。RDL 可以用于提高芯片的性能和效率，以及使芯片更加緊湊。
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EMIB（Embedded Multi-die Interconnect Bridge）是一種新型的芯片連接技術，用于將多個芯片連接在一起。它使用小型連接器將芯片連接在一起，可以提高芯片的性能和帶寬，以及使芯片更加緊湊。
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TSV（Through-Silicon Via）是芯片上的一種連接技術，用于將芯片上的電路直接連接在一起。
因此，Interposer 是一種用于連接芯片的中間層技術，它的基底通常是一塊硅基底，而硅基底也是 Substrate 的一種。因此，Interposer 與 Substrate 有一定的關系。對于RDL Interposer來說，Si Interposer的信號布線密度進一步提高，可以實現更高的 I/O 密度以及更低的傳輸延遲和功耗。然而與有機基板及RDL Interposer 相比，Si Interposer 的成本更高。
此外，基底、基板和襯底是有區別的，但它們都可以指 substrate，即芯片的基礎構件。基底和基板常用于電子領域，而襯底常用于生物學領域。
?參考資料：
大部分參考的師兄的PPT和講稿，謝謝師兄！！！
總結
以上是生活随笔為你收集整理的傻白入门芯片设计，Substrate/RDL/Interposer/EMIB/TSV（三）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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