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由特別任命的栗田洋一郎教授（東京工業(yè)大學(xué)創(chuàng)新研究所未來科學(xué)技術(shù)跨學(xué)科研究實(shí)驗(yàn)室）和合作研究公司組成的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)出了新型小芯片（Chiplet）集成技術(shù)，它使用一種稱為“支柱懸索橋（Pillar-Suspended Bridge，PSB）”的技術(shù)。該技術(shù)滿足了寬帶芯片到芯片通信和可擴(kuò)展小芯片集成的要求，這是未來大規(guī)模小芯片集成所必需的，具有最少的配置和制造工藝。  

它具有硅橋互連結(jié)構(gòu)，通過精細(xì)的“MicroPillar”實(shí)現(xiàn)芯片之間的寬帶通信，以及稱為“All Chip-last.”的制造工藝，結(jié)構(gòu)和工藝以最簡單的形式提供了小芯片集成的要求。這項(xiàng)技術(shù)有望加速未來半導(dǎo)體集成電路系統(tǒng)技術(shù)的演進(jìn)。  

這項(xiàng)研究是在10月1日成立的Chiplet集成平臺(tái)聯(lián)盟之前與葵電子有限公司和其他四家公司聯(lián)合進(jìn)行的。詳細(xì)結(jié)果在10月3日晚上10點(diǎn)（日本時(shí)間）在美國波士頓舉行的IMAPS 2022國際會(huì)議上公布。  

除東京工業(yè)大學(xué)外，Chiplet集成平臺(tái)聯(lián)盟還以大阪大學(xué)（特別任命教授和名譽(yù)教授菅沼勝明教授）和東北大學(xué)（福島高文副教授）為中心，計(jì)劃有32家公司參加（截至2022年9月）。它涵蓋了一般的小芯片集成平臺(tái)技術(shù)研究，包括3D集成技術(shù)和光學(xué)集成技術(shù)。   

背景  

自20世紀(jì)中葉發(fā)明以來，半導(dǎo)體集成電路已成為世界數(shù)字化轉(zhuǎn)型背后的驅(qū)動(dòng)力，摩爾定律通過器件小型化和改進(jìn)集成來提高性能，降低功耗并降低成本。然而，近年來，半導(dǎo)體電路的尺寸已經(jīng)小型化到幾納米。由于構(gòu)成半導(dǎo)體的原子大小所施加的物理限制，工業(yè)界現(xiàn)在承認(rèn)法律的消亡。  

與此同時(shí)，小芯片集成技術(shù)（圖1）作為一種新的進(jìn)化途徑，在小型化的基礎(chǔ)上擴(kuò)大集成規(guī)模、提高性能/降低功耗，成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。這包括從一系列集成電路芯片組裝主要系統(tǒng)，這些芯片比傳統(tǒng)的半導(dǎo)體封裝技術(shù)更緊密地耦合。這超越了半導(dǎo)體晶圓和芯片的物理/制造技術(shù)維度，并大規(guī)模集成了不同的功能和結(jié)構(gòu)。這使得通過異構(gòu)集成和集成可擴(kuò)展性提供改進(jìn)的性能成為可能，這是傳統(tǒng)半導(dǎo)體集成電路技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的。

圖1. 傳統(tǒng)半導(dǎo)體集成電路與小芯片集成結(jié)構(gòu)的比較  

使用硅轉(zhuǎn)接板和基于聚合物的RDL轉(zhuǎn)接板的集成技術(shù)已經(jīng)開發(fā)并實(shí)現(xiàn)為小芯片集成的平臺(tái)技術(shù)，但大規(guī)模集成受到晶圓尺寸和制造技術(shù)的限制。與此同時(shí)，一種使用本地排列的高密度布線芯片（稱為硅橋）的技術(shù)正在開發(fā)中，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成。然而，結(jié)構(gòu)和制造過程的復(fù)雜性以及提高集成度所需的高制造精度是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。   

研究成果  

針對(duì)上述背景和挑戰(zhàn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了PSB技術(shù)作為最小芯片集成結(jié)構(gòu)/工藝，并制作了概念驗(yàn)證原型來證明其可行性。圖1和圖2顯示了PSB橋接結(jié)構(gòu)。只有一種稱為“微螺旋”的柱狀金屬入到小芯片和硅橋之間的連接處。小芯片與橋一起用樹脂密封，并通過穿透硅橋側(cè)die的“高柱”連接到外部電極。這種結(jié)構(gòu)使得通過最小化小芯片/橋接互連組件來提高芯片間連接密度和電氣性能成為可能，并改善外部連接布線的高頻性能和散熱性能。它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以選擇橋接布線的類型，在擴(kuò)展集成（已知良好的橋接器）時(shí)沒有良率問題，并且集成模塊的尺寸和制造單元可以擴(kuò)展到大型面板。這種結(jié)構(gòu)是通過（1）高粘合精度和減少“芯片偏移”（芯片在die密封過程中移動(dòng)的現(xiàn)象）和（2）具有匹配線性膨脹的粘合過程（熱膨脹系數(shù)：CTE）而產(chǎn)生的。  

圖 2. PSB小芯片集成結(jié)構(gòu)概念驗(yàn)證樣品的外觀  

因此，PSB結(jié)構(gòu)具有簡單合理的結(jié)構(gòu)，用于使用硅橋進(jìn)行小芯片集成。通過將具有扇出功能的布線層（例如，RDL轉(zhuǎn)接板）連接到此層，可以組裝如圖3所示的理想小芯片集成封裝或如圖4所示的大型小芯片集成系統(tǒng)。  

圖3. 理想小芯片集成封裝     

圖 4. 大規(guī)模小芯片集成  

半導(dǎo)體集成電路的小型化預(yù)計(jì)將放緩，但小芯片集成技術(shù)很可能是提高系統(tǒng)性能的新進(jìn)化路徑。從長遠(yuǎn)來看，這種平臺(tái)技術(shù)有望對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生巨大影響，并隨之而來的是一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)。這項(xiàng)技術(shù)及其組件技術(shù)和應(yīng)用有望促成這些趨勢(shì)。   

未來發(fā)展  

我們計(jì)劃提高互連密度并擴(kuò)大集成，開發(fā)高性能橋梁布線技術(shù)和全球布線集成技術(shù)，驗(yàn)證可靠性并驗(yàn)證系統(tǒng)應(yīng)用。  

此外，我們于2022年10月1日成立Chiplet集成平臺(tái)聯(lián)盟，旨在從制造技術(shù)和組件技術(shù)到應(yīng)用及其產(chǎn)業(yè)化的價(jià)值鏈中的研發(fā)，針對(duì)一般小芯片集成平臺(tái)技術(shù)，包括本研究。與東京工業(yè)大學(xué)一起，主要聯(lián)盟成員是大阪大學(xué)（特別任命教授和名譽(yù)教授菅沼勝明）和東北大學(xué)（福島高文副教授），計(jì)劃有32家公司參加（截至2022年9月）。它涵蓋了一般的小芯片集成平臺(tái)技術(shù)研究，包括3D集成技術(shù)和光學(xué)集成技術(shù)。

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