中介层困局

（原标题：中介层困局）

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来源：内容编译自semiengineering。

电气中介层为在单个封装内安装多个芯片提供了方便的表面，但尽管中介层线路理论上可以在任何地方布线，但插入损耗限制了它们的实际长度。

中介层（尤其是硅中介层）上的线路可能非常窄。较小的横截面积会使这些线路具有电阻，信号传输距离越远，质量就越差。设计人员可能希望使用较长的中介层线路，但结果可能令人失望。“在中介层上你做不到这一点，” Eliyan战略营销副总裁 Kevin Donnelly 表示。“先进封装的走线不可能很长。”

还有其他挑战。要保持可接受的信号完整性，高速信号需要接地线和接地平面的帮助。但接地平面必须在制造过程中打孔，这会使返回信号路径变得复杂。

相比之下，光学中介层面临的限制较少，因为光信号在更大的中介层上传输的距离比电中介层更长。光学中介层旨在用于数据中心内的光子通信，中介层负责处理所有光子信号以及位于其上的电路。但它们短期内不会取代电中介层。

降低损耗

目前，生产中使用的中介层主要有两种：有机中介层（也称为RDL，即重新分配层，因为该技术最初用于扇出型封装中的信号重新分配）和硅中介层（无机中介层）。有机中介层的生产成本要低得多，但其特征尺寸比硅中介层更大。

使用硅本身并不要求线路细。这是因为需要尽量减少重新分布层的数量。“你可以有更宽的信号线，但这样你就需要更多的信号层来输出相同数量的信号，”Donnelly 解释道。“而且人们不想要 8 层或 10 层。他们想要制作四层中介层，所以他们使用彼此靠近的细线，这些线具有电阻性和电容性，并且损耗很大。”

虽然线宽尺寸按芯片标准来说很大，但按PCB标准来说却很小。联华电子先进封装总监Pax Wang表示：“对于有机材料，最低解决方案是2μm线宽和2μm线距。对于氧化物基电介质，通常线宽和线距为0.5μm。”

金属厚度为 3μm 的有机中介层可提供6μm2的线路横截面积。就信号需要传输的距离而言，这构成了一条电阻线路。“它们之所以具有电阻，是因为它们的横截面积非常小，”安靠科技公司负责芯片和倒装芯片封装开发与集成的副总裁 Mike Kelly 说道。“它就像一条非常细的管道。”

电阻会在较长的距离上降低信号电压。“插入损耗通常是我们的客户最担心的问题，这意味着电压会损失，”凯利说道。长度是否构成限制取决于线路的使用方式。大多数线路只是跨越两个相邻芯片之间的间隙，这两个芯片之间的距离约为 75 到 100 微米，但这种线路的长度可以达到 7 毫米。

“在芯片上，当你运行数字走线时，你可以插入中继器和缓冲器，”唐纳利解释说。“你不能对运行在这里的模拟信号这样做。所以，对于一根简单的裸铜线来说，5毫米或4毫米长的走线已经相当长了。”

由于 HBM 信号的位置，与 HBM 的连接通常更长。“通常，HBM 的 I/O bank 位于器件的中间，”Kelly 说道。“走线往往会更长，但速度会更慢。HBM4 的起始速度为每条物理线路 6.4 Gbps。UCIe 的规格最高可达 32 Gbps，但走线总是短得多。”

即使处理器产生的热量会对内存产生不利影响，HBM 堆栈也必须靠近处理器，以保持线路最短。“如果可以的话，大多数客户都希望 DRAM 的位置离处理器远一点，”他说。

即便如此，仍可能采用更长的线路。“设计师们正在寻找足够长的金属线，能够至少跨越一半的光罩，”王说。

与此同时，无掩模光刻技术可以制作更窄的线路。“我们可以做到 30 纳米，”Multibeam 总裁 Ken MacWilliams 说道。目前还没有人能为主流中介层制作如此细的线路，但这种精度对于纠正芯片和桥接器的对准问题尤其有用。

传输线不太可能

电阻是线路的一个重要特性，但并非唯一考虑因素。电阻名义上对信号频率不敏感，但整体信号完整性很大程度上取决于信号切换的速度。信号完整性取决于线路的总阻抗及其长度。长度超过半波长的线路通常必须被视为传输线，需要控制线路阻抗。

例如，15毫米是10 GHz信号波长的一半。在异常长的线路上，这将是非常快的信号，因此在大多数情况下，无需使用微带线或带状线技术来创建阻抗控制线路。“你总是可以制作传输线，但这需要更昂贵的中介层才能实现合理的损耗，”Eliyan的Donnelly说道。

然而，射频电路可能需要这些技术。“我们见过需要射频电路的客户使用此类技术进行阻抗控制，” SkyWater Technology高级副总裁兼总经理 Bassel Haddad 指出。

保持信号完整性

信号完整性依赖于良好的接地，这通常由接地层提供。这样的接地层在中介层中可以单独作为一层，并发挥三种功能。“它用于供电、阻抗控制以及作为返回路径，” Haddad 解释道。

受控阻抗在很大程度上维持了信号相对于自身反射的质量。但即使是较短的线路也可能受到相邻线路的干扰或串扰，而非常快速的接口可能会产生非常嘈杂的环境。因此，即使严格的传输线可能并非必要，但它们仍然有助于保护敏感信号，方法是用地线将其环绕起来。

“如果是一条长信号走线，设计人员将竭尽全力控制损耗并保持接地金属围绕该高速走线，无论是上下平面还是信号布线平面中的交错共面接地走线，”凯利说。

但是中介层和芯片上的接地平面与PCB上的接地平面不同，PCB上可以有实体平面。“你说的是一种华夫格栅，金属含量大概是50%，”Kelly说。“连续的接地平面很难容忍，因为制造过程中通常需要排出一些气体。所以你需要这些所谓的排气孔。”

如果敏感信号必须被地线包围，这些信号可以位于地平面的上方和下方，并在信号线或总线的两侧布置地线，以减少环路电感。“假设你有10条间距为4微米的走线，”Kelly说。“你需要在它们下方布置一个大的地平面。在这种情况下，最好的办法可能是将所有返回电流‘隔开’。它们不能直接穿过走线下方，因为它们必须穿过‘隔开’的地平面，但这仍然很安全。”

图1：带排气孔的接地层。接地层可以放置在其保护的信号下方或上方（或两者皆可）。蓝色箭头指示接地层下方每条红色信号路径的粗略电流返回路径。对于其中两个信号，返回电流必须绕过排气孔

除了依靠中介层来维持干净的信号，另一种方法是将这项任务交给封装基板。在这种情况下，目标是使用硅通孔 (TSV) 尽快将信号从中介层分离出来，这种技术可以直接将信号传输到基板上。

王先生说：“业界正在努力降低 TSV 的厚度。然后，我们将信号直接传输到 ABF 基板。它们的金属线更粗，可以产生比密集中介层更好的阻抗。”

然而，这仅适用于驱动封装上外部焊球的信号，尽管从技术上讲，可以将一个 TSV 向下延伸至基板，再将另一个 TSV 向上延伸至中介层。中介层的好处在于允许尺寸小于基板上可能尺寸的信号，因此，依赖基板来传输原本会留在中介层上的信号意义不大。

有源光子中介层

光子技术正逐渐深入数据中心，其传输距离比过去仅以公里为单位的光纤传输距离缩短了几个数量级。在数据中心交换机上，单根光纤可以工作在多种波长和模式下，从而提供更大的带宽，同时扩展可服务的端口数量（称为基数）。

传统的服务器光子连接由可插拔的光学器件组成，这些器件在服务器边缘将光信号转换为电信号，并通过电 SerDes 传输剩余距离。但较新的研究方向是将光信号一路传输到封装中，从而通过消除 SerDes 线路来节省功耗。这将光信号引入封装，在那里转换为电信号进行计算，然后再转换为光信号通过光纤传输。Lightmatter 的 Passage 实际上是一种光子中介层，可以在封装内实现这一功能。

Lightmatter 产品副总裁 Steve Klinger 表示：“出于各种原因，业界一直在尝试让光学器件更贴近芯片。最终的解决方案是将光学器件集成到封装中，而最极端的情况是将光学器件实际集成到中介层中，并将芯片直接集成在光子芯片的顶部。”

Passage 将 CMOS 和硅光子技术结合在一个中介层中，该中介层可以处理光域和电域之间的转换，并包含控制光子学的电路。因此，它是一种有源中介层。电子芯片可以像任何其他中介层一样安装，但中介层本身会将电信号转换为光信号，通过波导进行路由，并在将信号传输到芯片时再转换回电信号。这意味着放置在中介层上的芯片不需要电光转换器。

“Passage 芯片上安装的芯片确实有 SerDes，但它们的传输距离非常短，因为它们的电气驱动距离非常小，”Klinger 指出。“你不必把 SerDes 电路全部放在芯片边缘。它们可以位于芯片区域的任何位置。这是这种集成的优势之一。这样可以消除海岸线上的瓶颈。”

光的行为与电子截然不同，光子“电路”并非真正的电路，因为它们不遵循基尔霍夫定律等守恒定律。回流根本不存在。因此，波导可以传输更远的距离，且损耗极小。Lightmatter 已经制造出尺寸高达八个光罩的中介层，其波导在连接点处的损耗极小。

短期内难以改变

中介层中金属线的局限性是根本性的，不太可能改变。对于信号密度较低的设计，或许可以通过加宽线宽来改善这种情况，但当非常宽的总线必须跨芯片时，这将非常困难。

厚度是另一个值得探索的参数。“在硅中介层上，我们认为厚度等于或大于2微米的金属可以解决这类问题，”王说。

最终，这变成了一项以保持线路最短的方式放置组件的练习。所有高速信号都必须经过彻底的信号完整性分析，以确保这些信号能够在如此高的速度下真正有效地运行。这些检查不仅应包括中介层上的线路部分，还应包括路径上的每个组件，包括焊球和凸块。任何接地平面都必须在仿真中进行建模。

光子学可以提供一种长期解决这些线路长度限制的方法，但它尚未实现大批量生产，而且光子学还需要一段时间（如果有的话）才能服务于按照电气标准很长但按照光学标准非常短的线路。

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