DBHi先進(jìn)封裝工藝詳細(xì)介紹

DBHi (Direct Bonded Heterogeneous Integration，直接鍵合異構(gòu)集成)是IBM提出的一種基于硅橋芯片互連的先進(jìn)封裝技術(shù)，是一種基于直接鍵合的異構(gòu)集成技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)旨在解決先進(jìn)封裝中互連密度、成本和可靠性問題，是芯片級異構(gòu)集成的重要解決方案。

核心原理與特點(diǎn)

1. 基本工作原理

DBHi技術(shù)的核心是通過直接鍵合方式將硅橋與芯片連接，形成芯片-硅橋預(yù)制件，然后將預(yù)制件與基板進(jìn)行封裝。與傳統(tǒng)封裝方式不同，DBHi的硅橋不會被完全包封，而是直接與芯片形成互連結(jié)構(gòu)。

2. 與EMIB的關(guān)鍵區(qū)別

DBHi與英特爾的EMIB技術(shù)存在幾個(gè)關(guān)鍵差異：

3. 工藝流程

DBHi的封裝工藝主要包括以下步驟：

1. 預(yù)制件制作：在硅橋上生長C2銅柱凸點(diǎn)，在芯片上生長C2球狀凸點(diǎn)及焊盤

2. 芯片-橋鍵合：使用非導(dǎo)電漿料(NCP)和熱壓縮鍵合(TCB)將芯片1與硅橋鍵合

3. 芯片-橋鍵合：使用NCP和TCB將芯片2與硅橋鍵合，形成芯片1+橋+芯片2的模塊

4. 基板組裝：將模塊放置在帶有腔結(jié)構(gòu)的有機(jī)基板上，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)倒裝焊(reflow)組裝

5. 保護(hù)處理：橋下填充可選，用于保護(hù)鍵合界面

4. 工藝優(yōu)勢

(1) 高性能互連

• 硅橋上的BEOL級細(xì)間距互連可實(shí)現(xiàn)高帶寬互連

• 通過匹配芯片和橋接器的CTE(熱膨脹系數(shù))，實(shí)現(xiàn)約30μm的細(xì)間距互連接頭

(2) 降低成本

• 低BoM(物料清單)成本：使用標(biāo)準(zhǔn)間距基板，不需要大型硅中介層、細(xì)間距RDL或橋式嵌入式基板

• 與EMIB相比，基板設(shè)計(jì)更簡單，制造流程更短

(3) 提高可靠性

• 由于硅橋與芯片直接鍵合，減少了中間層的可靠性風(fēng)險(xiǎn)

• 避免了在基板中嵌入硅橋帶來的應(yīng)力問題

(4) 工藝簡化

• 無需在基板上制造復(fù)雜的腔體結(jié)構(gòu)

• 2023年，IBM在IEEE/ECTC上發(fā)表論文提出，甚至可以不需要在基板上加工腔結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步簡化工藝

技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

1. 發(fā)展歷程

• 2021-2022年：IBM在IEEE/ECTC會議上發(fā)表7篇關(guān)于DBHi的論文

• 2023年：IBM發(fā)表"直接鍵合異構(gòu)集成(DBHi)：用于芯片拼貼的表面橋技術(shù)"論文，提出可省略基板腔結(jié)構(gòu)

2. 應(yīng)用場景

DBHi技術(shù)適用于需要高帶寬、低延遲、低功耗通信的芯片互連場景，特別適合：

• 多芯片系統(tǒng)集成

• 高性能計(jì)算(HPC)應(yīng)用

• 人工智能加速器

• 芯粒(Chiplet)集成

3. 與行業(yè)趨勢的結(jié)合

DBHi技術(shù)與當(dāng)前芯片封裝行業(yè)的發(fā)展趨勢高度契合：

• 與UCIe(通用芯粒互連)標(biāo)準(zhǔn)兼容，支持芯粒集成

• 作為替代傳統(tǒng)TSV(硅通孔)中介層的方案，降低封裝成本

• 與混合鍵合技術(shù)結(jié)合，可進(jìn)一步提高互連密度

核心原理與技術(shù)特點(diǎn)

DBHi技術(shù)并非簡單地將芯片并排擺放，而是通過一個(gè)嵌入式的硅橋（Si-Bridge）作為芯片間的“高速專用通道”。其結(jié)構(gòu)和工作原理與傳統(tǒng)2.5D封裝有明顯區(qū)別：

與同類技術(shù)對比

1. 與EMIB對比

• DBHi：硅橋與芯片直接鍵合，基板結(jié)構(gòu)簡單，成本更低

• EMIB：硅橋嵌入基板腔體，需要復(fù)雜基板制造，成本較高

2. 與臺積電LSI對比

• DBHi：硅橋與芯片直接鍵合，不需要嵌入基板

• LSI：硅橋嵌入基板中的EMC(嵌入式模塑料)層，需在基板中制造腔體

3. 與混合鍵合技術(shù)對比

• DBHi：使用C4和C2凸點(diǎn)，互連間距較大

• 混合鍵合：使用Cu-Cu直接鍵合，可實(shí)現(xiàn)更小間距(約8μm)和更高密度

技術(shù)前景

DBHi技術(shù)代表了先進(jìn)封裝中硅橋互連技術(shù)的創(chuàng)新方向，其簡化的設(shè)計(jì)和制造流程使其在成本敏感的應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢。隨著Chiplet(芯粒)架構(gòu)的普及，DBHi等硅橋互連技術(shù)將在異構(gòu)集成中扮演越來越重要的角色。

IBM在DBHi技術(shù)上的持續(xù)創(chuàng)新，特別是2023年提出可省略基板腔結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，進(jìn)一步降低了技術(shù)復(fù)雜度和成本，為DBHi技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用鋪平了道路。隨著UCIe等標(biāo)準(zhǔn)的推廣，DBHi有望成為Chiplet集成的主流方案之一。

總結(jié)

DBHi技術(shù)通過直接鍵合方式將硅橋與芯片連接，避免了傳統(tǒng)封裝中復(fù)雜的硅中介層和基板結(jié)構(gòu)，顯著降低了制造成本，同時(shí)保持了高性能的互連特性。其核心優(yōu)勢在于：

1. 簡化的封裝基板設(shè)計(jì)

2. 低成本的制造工藝

3. 高可靠性的互連結(jié)構(gòu)

4. 與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的兼容性

隨著Chiplet架構(gòu)的普及和先進(jìn)封裝技術(shù)的發(fā)展，DBHi技術(shù)有望在高性能計(jì)算、人工智能和數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

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