联合研究团队研发出一种新的采用了称为PSB桥接技术的Chiplet方案

由特别任命的栗田洋一郎教授（东京工业大学创新研究所未来科学技术跨学科研究实验室）和合作研究公司组成的研究团队已经开发出了新型小芯片（Chiplet）集成技术，它使用一种称为“支柱悬索桥（Pillar-Suspended Bridge，PSB）”的技术。该技术满足了宽带芯片到芯片通信和可扩展小芯片集成的要求，这是未来大规模小芯片集成所必需的，具有最少的配置和制造工艺。  

它具有硅桥互连结构，通过精细的“MicroPillar”实现芯片之间的宽带通信，以及称为“All Chip-last.”的制造工艺，结构和工艺以最简单的形式提供了小芯片集成的要求。这项技术有望加速未来半导体集成电路系统技术的演进。  

这项研究是在10月1日成立的Chiplet集成平台联盟之前与葵电子有限公司和其他四家公司联合进行的。详细结果在10月3日晚上10点（日本时间）在美国波士顿举行的IMAPS 2022国际会议上公布。  

除东京工业大学外，Chiplet集成平台联盟还以大阪大学（特别任命教授和名誉教授菅沼胜明教授）和东北大学（福岛高文副教授）为中心，计划有32家公司参加（截至2022年9月）。它涵盖了一般的小芯片集成平台技术研究，包括3D集成技术和光学集成技术。   

背景  

自20世纪中叶发明以来，半导体集成电路已成为世界数字化转型背后的驱动力，摩尔定律通过器件小型化和改进集成来提高性能，降低功耗并降低成本。然而，近年来，半导体电路的尺寸已经小型化到几纳米。由于构成半导体的原子大小所施加的物理限制，工业界现在承认法律的消亡。  

与此同时，小芯片集成技术（图1）作为一种新的进化途径，在小型化的基础上扩大集成规模、提高性能/降低功耗，成为人们关注的焦点。这包括从一系列集成电路芯片组装主要系统，这些芯片比传统的半导体封装技术更紧密地耦合。这超越了半导体晶圆和芯片的物理/制造技术维度，并大规模集成了不同的功能和结构。这使得通过异构集成和集成可扩展性提供改进的性能成为可能，这是传统半导体集成电路技术无法实现的。

图1. 传统半导体集成电路与小芯片集成结构的比较  

使用硅转接板和基于聚合物的RDL转接板的集成技术已经开发并实现为小芯片集成的平台技术，但大规模集成受到晶圆尺寸和制造技术的限制。与此同时，一种使用本地排列的高密度布线芯片（称为硅桥）的技术正在开发中，以实现大规模集成。然而，结构和制造过程的复杂性以及提高集成度所需的高制造精度是一项挑战。   

研究成果  

针对上述背景和挑战，我们设计了PSB技术作为最小芯片集成结构/工艺，并制作了概念验证原型来证明其可行性。图1和图2显示了PSB桥接结构。只有一种称为“微螺旋”的柱状金属入到小芯片和硅桥之间的连接处。小芯片与桥一起用树脂密封，并通过穿透硅桥侧die的“高柱”连接到外部电极。这种结构使得通过最小化小芯片/桥接互连组件来提高芯片间连接密度和电气性能成为可能，并改善外部连接布线的高频性能和散热性能。它的另一个优点是可以选择桥接布线的类型，在扩展集成（已知良好的桥接器）时没有良率问题，并且集成模块的尺寸和制造单元可以扩展到大型面板。这种结构是通过（1）高粘合精度和减少“芯片偏移”（芯片在die密封过程中移动的现象）和（2）具有匹配线性膨胀的粘合过程（热膨胀系数：CTE）而产生的。  

图 2. PSB小芯片集成结构概念验证样品的外观  

因此，PSB结构具有简单合理的结构，用于使用硅桥进行小芯片集成。通过将具有扇出功能的布线层（例如，RDL转接板）连接到此层，可以组装如图3所示的理想小芯片集成封装或如图4所示的大型小芯片集成系统。  

图3. 理想小芯片集成封装     

图 4. 大规模小芯片集成  

半导体集成电路的小型化预计将放缓，但小芯片集成技术很可能是提高系统性能的新进化路径。从长远来看，这种平台技术有望对人类社会产生巨大影响，并随之而来的是一个巨大的产业的出现。这项技术及其组件技术和应用有望促成这些趋势。   

未来发展  

我们计划提高互连密度并扩大集成，开发高性能桥梁布线技术和全球布线集成技术，验证可靠性并验证系统应用。  

此外，我们于2022年10月1日成立Chiplet集成平台联盟，旨在从制造技术和组件技术到应用及其产业化的价值链中的研发，针对一般小芯片集成平台技术，包括本研究。与东京工业大学一起，主要联盟成员是大阪大学（特别任命教授和名誉教授菅沼胜明）和东北大学（福岛高文副教授），计划有32家公司参加（截至2022年9月）。它涵盖了一般的小芯片集成平台技术研究，包括3D集成技术和光学集成技术。

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