傻白入门芯片设计，Substrate/RDL/Interposer/EMIB/TSV（三）

一、Substrate（衬底或基板）

（1）硅工艺的互连衬底

（2）封装有机基板

（3）基础知识科普

二、RDL Interposer 技术

三、硅中介层（Si Interposer）

四、嵌入式硅桥（EMIB）

五、硅通孔 TSV（Through Silicon Vias）

六、总结

一、Substrate（衬底或基板）

衬底和基板都可以用英文中的单词substrate来表示。衬底是指用于电子产品封装的板材，它提供了电子元器件的支撑和电气连接。衬底的材料可以是硅、陶瓷或有机材料，具体选用哪种材料取决于应用的特定要求。

最常见分两种，一种是硅工艺的互连衬底，另一种是封装有机基板，具体来说：

（1）硅工艺的互连衬底

硅工艺的互连衬底是指使用硅材料制作的基板，用于电子产品的封装。硅是一种半导体材料，具有较高的热导率和电导率，因此在封装电子产品时常常使用硅基板。硅基板的生产工艺比较复杂，需要经过多个步骤，包括硅片的切割、表面处理、基板制备和定向处理等。

硅工艺的互连衬底具有较高的热稳定性，可以在高温条件下使用。此外，硅基板的电气性能也很好，具有较低的电阻和较高的电容，因此在高频电路的应用中非常常用。但是，硅基板的生产成本较高，因为它们的生产工艺比较复杂，并且在生产过程中使用的材料也较昂贵。

（2）封装有机基板

封装有机基板（Organic Substrate）是一种通常用于芯片封装的基板材料。它的主要成分是有机材料，通常是基于聚酯、玻璃纤维或陶瓷材料的有机复合材料，具有较低的热导率和较高的电气绝缘性能，这使得它们在高频电路的应用中具有一定的优势。此外，封装有机基板的生产成本通常比硅基板低，因为它们的生产工艺更简单，而且在生产过程中可以使用较低成本的材料。

尽管封装有机基板具有一些优势，但它们也存在一些局限性。封装有机基板的温度稳定性较差，通常不能在高温条件下使用。此外，封装有机基板的电气性能也较差，具有较高的电阻和较低的电容。这使得它们在高频电路的应用中受到限制（要求更有效地传输和储存电荷）。

在选择封装基板时，应考虑应用的特定要求，并综合考虑各种因素，如材料性能、生产成本、温度稳定性和电气性能等。

封装有机基板工艺相对于硅工艺的互连衬底工艺有以下优势：

材料成本低：封装有机基板的材料成本低，相对于硅工艺的互连衬底材料成本降低很多。
生产成本低：封装有机基板的生产成本低，相对于硅工艺的互连衬底生产成本降低很多。
可靠性高：封装有机基板的可靠性高，相对于硅工艺的互连衬底可靠性更高。

相对于硅工艺的互连衬底，封装有机基板工艺成熟，在材料和生产成本上有巨大优势。

（3）基础知识科普

A.关于热导率：是指物质对热的传导能力的度量。它是表示物质内部的热流密度与表面温度差的函数。热导率越大，物质对热的传导能力就越强；热导率越小，物质对热的传导能力就越弱。因此，较低的热导率意味着物质对热的传导能力较弱，在同样的温度差下，物质内部的热流密度也就较低。这意味着，使用具有较低热导率的材料可以更有效地散热，在高温条件下也可以保持较低的温度。

B.关于电导率：是指物质对电流的传导能力的度量。它是表示物质内部电流密度与电动势差的函数。电导率越大，物质对电流的传导能力就越强，在同样的电动势差下，物质内部的电流密度也就较高；电导率越小，物质对电流的传导能力就越弱。这意味着，使用具有较高电导率的材料可以更容易地传导电流。

C.电气绝缘性：是指物质对电流的隔绝能力的度量。它是表示物质内部电流密度与表面电动势差的函数。电气绝缘性越高，物质对电流的隔绝能力就越强；电气绝缘性越低，物质对电流的隔绝能力就越弱。因此，具有较高电气绝缘性的物质可以隔绝电流，并且在电场作用下不会产生电流。在电子封装领域中，电气绝缘性能是一个重要的指标。具有较高电气绝缘性能的基板可以隔绝电流，并且在电场作用下不会产生电流，这对于电路的可靠性和稳定性是非常重要的（由于高频电路中的信号频率很高，因此较高的电气绝缘性可以减少电流的漏失，保障信号的传输效率和稳定性）。

D.热稳定性：是指物质在受到热刺激时，不会发生结构变化或性能变化的能力。它是表示物质在高温条件下结构和性能的稳定性的度量。热稳定性越高，物质在受到热刺激时就越不会发生结构变化或性能变化；热稳定性越低，物质在受到热刺激时就越容易发生结构变化或性能变化。

E.电阻和电容：是两个重要的电气特性，它们对于电子元器件在电路中的行为起着重要作用。

电阻是指电子元器件对电流流动的阻力。电阻越大，电流流动越困难，反之电阻越小，电流流动越容易。因此，如果电子元器件的电阻较高，那么它就不能有效地传输电流，这对于电子元器件在电路中的应用有一定的限制。
电容是指电子元器件在电压作用下的电荷蓄存能力。电容越大，电荷蓄存能力越强，反之电容越小，电荷蓄存能力越弱。因此，如果电子元器件的电容较低，那么它就不能有效地储存电荷，这对于电子元器件在电路中的应用有一定的限制。

在高频电路中，电子元器件必须具有较低的电阻和较高的电容，这样才能有效地传输和储存电荷，从而使电路正常工作。

二、RDL Interposer 技术

RDL Interposer是一种常用的封装技术，常用于制造集成电路和其他电子元器件。该技术在硅衬底上通过等离子刻蚀等技术制作带有通孔（TSV）的硅基板，该硅基板可以为芯片提供互连基础。在硅基板的正面和背面制作重新分配层（RDL），可以为 TSV 和硅衬底上集成的芯片提供互连基础。RDL Interposer 技术可以提高信息传输的效率和稳定性，在制造集成电路和其他电子元器件方面具有较高的应用价值。

RDL（Redistribution Layer）是指再分配层，是一种用于电子产品封装的技术。它主要用于将外部电路连接到芯片的内部电路。RDL主要由金属层和基板组成，可以在基板上形成微小的金属引脚，用于连接不同的电路。RDL Interposer封装技术可以将芯片与芯片之间的电路连接距离变得更小，使芯片封装的密度更高，使信号走线宽度和间距大幅度降低，从而提高单位面积的信号密度，提高电路的性能。

主要原理就是在晶片表面沉积金属层和介电层。它形成了一个再分配层，以携带相应的金属布线模式，并在芯片外的松散区域上重新排列芯片的IO端口。由于RDL形成的金属布线的线宽和间距较小，从而提供了更高的互连密度，同时可以通过缩短电路长度来提高信号质量，通过减少芯片面积来提高芯片集成能力。

传统封装工艺步骤主要在裸片切割分片后进行，先对晶圆（Wafer）进行切割分片（Dicing），然后再封装（Packaging）成各种形式。封装过程中大部分工艺过程都是对晶圆进行操作，即在晶圆上进行整体封装（Packaging），封装完成后再进行切割分片。

三、硅中介层（Si Interposer）

Interposer 是一种中介层，常用于分布式系统中，它可以帮助上层或下层的节点之间进行信息交换（比如连接两个芯片）。Interposer 通常可以使用微凸点（ubump）和 C4 凸点（C4 bump）与芯片、封装基板进行电性能互连，实现芯片与封装基板之间的信息交换。Interposer 可以用于提高芯片的性能和带宽，以及使芯片更加紧凑。

Si Interposer 技术：Si Interposer 技术是基于硅工艺的传统 2.5D 封装技术。该技术在基板和裸片之间放置了额外的硅中介层，Die之间的互连和通信是通过在衬板和芯粒之间放置额外的硅层来实现的，裸片堆叠在中介层的顶部。由于凸块（Bump）允许的最小间距不足以支持多芯片互连和I/O需求，而硅中介层具有较高的细间距布线能力，堆叠芯片中再分布互连线。

Die之间的互连和通信是通过在衬板和芯粒之间放置额外的硅层来实现的，裸片堆叠在单个中介层的顶部。不再用线路板或者载板来作为承载芯片连接的载体，可以解决载板自身制造工艺极限所造成的封装工艺瓶颈问题。

硅中介层会增加Package厚度。Interposer增加额外的成本，尤其是Interposer必须很大，如图那样，面积包含所有的Die，大大增加成本。最重要的问题是，Die的所有连接必须全部通过Interposer，包括不需要Die to Die通讯的信号。

此外，值得注意的是，interposer有两种，一种叫做无源中介层（Passive interposer）的2.5D封装形式，中介层只有连接芯片的作用，资源并不能最大化利用，因此尝试在中介层上使用有源逻辑。有源中介层（Active interposer）里包含电压调节器和一个网络，其中该网络将内核的偏上存储器各个部分连接在一起，可以实现电源管理、部分模拟电路以及系统输入输出等功能，可以实现SoC的基础逻辑架构和传感器。

无源中介层和有源中介层是两种不同的层次结构，常用于分布式系统中进行信息传输和协调。它们的区别主要有以下几点：

功能不同：无源中介层的主要功能是传输信息，而有源中介层的主要功能是协调系统的运行。
结构不同：无源中介层通常是一种无源结构，没有自己的控制能力，只能依靠上层或下层的节点来进行控制。有源中介层通常是一种有源结构，具有自己的控制能力，可以自主协调系统的运行。
依赖关系不同：无源中介层依赖于上层或下层的节点，无法独立运行。有源中介层具有自己的控制能力，可以独立运行。
可靠性不同：无源中介层的可靠性取决于上层或下层的节点的可靠性，如果上层或下层的节点出现故障，无源中介层的可靠性也会随之降低。有源中介层具有自己的控制能力，可以自主处理故障，因此可靠性较高

四、嵌入式硅桥（EMIB）

尝试将基底技术和硅中介层技术结合起来。它在基板上集成了小的薄层——硅桥，用于芯片间的互连，并将硅桥嵌入封装基板中，从而在性能和成本之间取得了良好的平衡。

EMIB是一个嵌入在底层封装基板中的小型硅芯片，并提供了模具之间的专用的超高密度互连。重要的是，EMIB的物理尺寸并不限制可以集成的模具的数量。相比之下，替代实现使用位于封装衬底顶部的一大块Si Interposer，并超过了要集成的模具的整个长度。大量的硅插入器使解决方案成本过高，容易出现翘曲等问题。

五、硅通孔 TSV（Through Silicon Vias）

硅通孔：一种穿通硅圆晶片或芯片的垂直互连结构，可以完成连通上下层晶圆或芯片的功能，是晶圆多层堆叠中有效提高系统整合度与效能的关键工艺。它实现了贯穿整个芯片厚度的垂直电气连接，更开辟了芯片上下表面之间的最短通路。TSV封装具有电气互连性更好、带宽更宽、互连密度更高、功耗更低、尺寸更小、质量更轻等优点。

通过硅通孔技术将多层芯片互连导通，是一项高密度封装技术。例如存储器芯片和处理器芯片可以通过硅通孔（Through Silicon Vias, TSV）技术的方式连接在一起，不再受载板布线线宽、线距、密度的限制，从而可以实现数据带宽在接口上的提升。

芯片相互靠得很近，所以延迟会更少，此外互连长度的缩短，能减少相关寄生效应，使器件以更高的频率运行，从而转化为性能改进，并更大程度的降低成本。TSV主要优点如下：

1、高密度集成：通过先进封装，可以大幅度地提高电子元器件集成度，减小封装的几何尺寸，和封装重量。克服现有的 2D-SIP (System In a Package 二维系统级封装)和POP (package on package 三维封装堆叠)系统的不足，满足微电子产品对于多功能和小型化的要求。
2、提高电性能：由于TSV技术可以大幅度地缩短电互连的长度，从而可以很好地解决出现在 SOC（二维系统级芯片）技术中的信号延迟等问题，提高电性能。
3、多种功能集成：通过 TSV 互连的方式，可以把不同的功能芯片(如射频、内存、逻辑、数字和 MEMS 等)集成在一起实现电子元器件的多功能。
4、降低制造成本：TSV 三维集成技术虽然目前在工艺上的成本较高，但是可以在元器件的总体水平上降低制造成本。

六、总结

Substrate 是芯片的基底，是芯片的基础构件。它通常是一块硅片或其他半导体材料，用于承载芯片上的元件和连接器。
Interposer 是一种中间层技术，用于连接两个芯片。它通常是一块硅基底，上面带有微型连接器，用于将两个芯片连接在一起。Interposer 可以用于提高芯片的性能和带宽，以及使芯片更加紧凑。
RDL（Redistribution Layer）是芯片上的一层连接层，用于将芯片上的电路重新分配。RDL 可以用于提高芯片的性能和效率，以及使芯片更加紧凑。
EMIB（Embedded Multi-die Interconnect Bridge）是一种新型的芯片连接技术，用于将多个芯片连接在一起。它使用小型连接器将芯片连接在一起，可以提高芯片的性能和带宽，以及使芯片更加紧凑。
TSV（Through-Silicon Via）是芯片上的一种连接技术，用于将芯片上的电路直接连接在一起。

因此，Interposer 是一种用于连接芯片的中间层技术，它的基底通常是一块硅基底，而硅基底也是 Substrate 的一种。因此，Interposer 与 Substrate 有一定的关系。对于RDL Interposer来说，Si Interposer的信号布线密度进一步提高，可以实现更高的 I/O 密度以及更低的传输延迟和功耗。然而与有机基板及RDL Interposer 相比，Si Interposer 的成本更高。

此外，基底、基板和衬底是有区别的，但它们都可以指 substrate，即芯片的基础构件。基底和基板常用于电子领域，而衬底常用于生物学领域。

参考资料：

大部分参考的师兄的PPT和讲稿，谢谢师兄！！！