芯片封装正在开启新时代

设计和制造革命性的半导体只是一个开始——要将半导体转变为电子模块元件，它们需要尽可能安全、高效和经济地封装。

如果您读过有关半导体的任何内容，您可能看过一张有人举起晶圆的照片。它们是包含数百个未来计算机芯片的硅盘。但你不能只是切割这些半导体芯片并将它们插入电路板。它们需要采用能够保证其安全、可靠并允许电力有效流过的材料进行包装。IBM小芯片和先进封装研究首席策略师 Dale McHerron 表示：“这就是芯片与世界其他地方进行通信的方式。” 封装芯片的过程产生了芯片模块。

随着计算机芯片多年来不断缩小，需要更多的研究来继续尽可能有效地封装它们。封装有两个重要的研究领域——用于容纳芯片的材料，以及如何处理这些材料以构建完整的芯片模块。让我们把它们分解一下。

简而言之，芯片封装提供了计算机芯片运行的机械环境。封装为芯片提供电源并容纳输入和输出，使其能够与计算系统的其余部分进行通信。芯片在运行时也容易变热，因此封装旨在保持一定的温度范围，以免芯片过热。

经过整个行业数十年的反复试验，许多现代微电子模块都是围绕大致相同的材料（称为有机基板）构建的。大多数的核心材料是一种名为 FR-4 的材料，它由编织玻璃纤维和环氧树脂组成，而且环氧树脂也具有阻燃性。FR-4 面板通常层压有一层薄薄的铜箔，这是一种高导电材料。目前正在研究用于芯片封装的其他材料，例如由玻璃制成的核心，这可以实现更快的数据传输和更小的芯片结构。但这项工作可能还需要数年时间才能投入生产。

层压板的顶部是为封装中的铜布线而构建的层。电介质之间的堆积层是由一家名为 Ajinomoto 的公司制造的，该公司主要以食品包装而闻名。事实证明，包装美味佳肴的过程与制造有机层压板所需的层并没有太大不同——至少从化学角度来看是这样。但我们不建议食用这些层压板。

基础基板材料通常针对许多不同应用的芯片封装进行标准化。对于芯片必须在非常热的情况下运行的情况，更多的是如何冷却设备，而不是其层压结构中使用的材料。这是在芯片背面处理的。

该芯片通过称为受控塌陷芯片连接（C4）的焊球连接到有机基板上，这实际上是 IBM 几十年前发明的。然后，使用液态环氧底部填充材料来隔离球。随着芯片尺寸不断缩小，我们需要找到将部件连接在一起的新方法，因为目前 C4 球中使用的焊料无法像芯片的其他部件一样有效地缩小尺寸。IBM 正在开创新方法，例如混合键合，其中使用铜层和氧化物电介质将芯片直接键合在一起，无需中间焊接连接。

当缩小芯片尺寸时，您需要确保所有组件都具有极高的可靠性，因为几乎没有发生故障的空间。各种结构上的应力会随着它们变小而发生变化。随着人工智能计算的新进步和新形式的芯片设计，芯片之间重新需要更多更小的互连，以支持强大的人工智能训练和推理模型。

IBM奥尔巴尼 NanoTech Complex 封装研究设施的大部分重点现在都围绕着提高可靠性以及减小芯片之间高密度互连所需的铜线尺寸和电介质厚度。人们正在研究新的工艺技术，以设计、构建和测试这些更小尺寸的组件。这包括压力测试设备，并确保它们能够产生每种潜在操作情况所需的信号强度和电流。部件经过热循环，确保它们可以在不同的温度和湿度水平下工作，并在几周内模拟模块的整个使用寿命进行测试。

除了传统的芯片结构之外，IBM 研究中心还在研究将人工智能和其他尖端模式的力量带入生活的新方法。半导体领域的关键挑战之一是如何将片上系统的各种功能分解为可配置为最好地解决问题的设备。这些被称为小芯片的设备可以解锁强大的新功能，例如将人工智能加速器与多个内存小芯片和单个输入输出设备堆叠在一起的人工智能设备，创建一个可用于推断最先进的人工智能模型的小芯片集。

Chiplet 是 IBM 半导体研究的一个重点领域，而如何有效地封装它们是该工作的重要组成部分。目前，尽管有多个团体支持的建议，但其他公司制造的小芯片如何相互交互还没有标准化。IBM 正在研究这些设备的工作方式，包括设计高带宽互连、如何将硅芯片堆叠在一起、设备如何保持冷却以及它们如何在封装中保持足够的功率。“我们才刚刚开始触及皮毛，”麦克赫伦说。

这只是封装研究革命的开始。“当 CMOS 微缩技术处于鼎盛时期，你不需要所有这些花哨的封装——所有的创新都发生在硅片上，”McHerron 说。“现在钟摆正从 CMOS 微缩创新转向封装创新，即在给定空间内封装更多硅芯片，而不是仅仅通过晶体管微缩在硅芯片上封装更多晶体管。”

麦克赫伦说，通过硅和封装技术混合方式的增强，可以提高系统性能。“我们正处于封装性能的新时代。”

一旦设计出新的半导体并在封装中进行了测试，就需要大规模生产。还需要在这里进行研究和测试，以确保实验室中有效的设计可以轻松地按照客户需要的规模进行生产。这是 IBM 位于加拿大魁北克省南部布罗蒙工厂的工作的一部分。

Bromont 为广泛的客户生产模块封装和测试，其中包括 IBM —Bromont 将芯片封装在 IBM Z 和 P 系统中。它也恰好是北美最大的外包半导体组装和测试(OSAT) 设施，也是美国政府信任的设施。“Bromont 在很大程度上是 IBM 芯片研发领域的核心人物，”负责 Bromont 研发和业务开发的 Etienne Lemieux 说道。

有人可以通过多种方式与布罗蒙的研究人员和生产人员一起工作。在某些情况下，客户可能会想出他们希望如何封装芯片的想法，并会要求 Bromont 团队构建原型并找出大规模制造它们的流程。有时，客户手上已经有了完整的设计，但会寻求 IBM 的生产经验来提高其可制造性。很少有客户会完全空白并指望 IBM 从头开始设计某些东西，但这种情况是有可能发生的。然而，在大多数情况下，工作通常集中在试图使芯片封装生产更具成本效益。

对于大多数合作，整个过程——从联系 IBM 到大规模交付芯片——可能需要六个月到两年的时间。在此期间，工程师和技术人员将致力于构建对他们正在使用的设计最有意义的制造流程，向客户提供原型并获得反馈以迭代地达到最终输出。Lemieux 表示，可能需要三到四次迭代才能让各方对流程的可靠性和成本效益感到满意。

一旦生产就绪流程和设计最终确定，IBM 通常会将它们发送给客户，然后客户将依赖可以将它们安装在卡上的制造商，例如 PCIe 卡或主板，具体取决于它们的使用方式。

在开发芯片封装工艺时，Bromont 团队在MiQro Innovation 协作中心(C2MI) 完成大部分工作，这是舍布鲁克大学 (University of Sherbrooke) 旗下的先进半导体研发机构，位于 Bromont 基地附近。C2MI 站点在其 Bromont 工厂内拥有与 IBM 大致相同的工具，使团队能够测试想法，然后将其有效地引入生产线。

与在奥尔巴尼进行的材料和架构测试非常相似，Bromont 团队也对其工艺进行压力测试，以确保他们能够生产具有高可靠性的封装芯片。在 C2MI，IBM 员工可以测试各种热材料、零件组件和底部填充材料在生产周期中的可靠性。还有针对这些工艺的压力测试，例如通过湿度室运行他们的想法，并通过从 0°C 到 120°C 的热量变化运行芯片和工艺超过 200 次，以确保它们足够强大，适合实际使用。

与奥尔巴尼类似，布罗蒙的团队已经看到封装现在在芯片设计和性能中发挥着更大的作用，并致力于创建芯片及其封装比近年来更加交织的工艺。“封装已成为整个模块性能的重要组成部分，”Lemieux 说。

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