目錄

一、Substrate（襯底或基板）

（1）硅工藝的互連襯底

（2）封裝有機(jī)基板

（3）基礎(chǔ)知識科普

二、RDL Interposer 技術(shù)

三、硅中介層（Si Interposer）

四、嵌入式硅橋（EMIB）

五、硅通孔 TSV（Through Silicon Vias）

六、總結(jié)

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一、Substrate（襯底或基板）

襯底和基板都可以用英文中的單詞substrate來表示。襯底是指用于電子產(chǎn)品封裝的板材，它提供了電子元器件的支撐和電氣連接。襯底的材料可以是硅、陶瓷或有機(jī)材料，具體選用哪種材料取決于應(yīng)用的特定要求。

最常見分兩種，一種是硅工藝的互連襯底，另一種是封裝有機(jī)基板，具體來說：

（1）硅工藝的互連襯底

硅工藝的互連襯底是指使用硅材料制作的基板，用于電子產(chǎn)品的封裝。硅是一種半導(dǎo)體材料，具有較高的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率，因此在封裝電子產(chǎn)品時常常使用硅基板。硅基板的生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，需要經(jīng)過多個步驟，包括硅片的切割、表面處理、基板制備和定向處理等。

硅工藝的互連襯底具有較高的熱穩(wěn)定性，可以在高溫條件下使用。此外，硅基板的電氣性能也很好，具有較低的電阻和較高的電容，因此在高頻電路的應(yīng)用中非常常用。但是，硅基板的生產(chǎn)成本較高，因為它們的生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，并且在生產(chǎn)過程中使用的材料也較昂貴。

（2）封裝有機(jī)基板

封裝有機(jī)基板（Organic Substrate）是一種通常用于芯片封裝的基板材料。它的主要成分是有機(jī)材料，通常是基于聚酯、玻璃纖維或陶瓷材料的有機(jī)復(fù)合材料，具有較低的熱導(dǎo)率和較高的電氣絕緣性能，這使得它們在高頻電路的應(yīng)用中具有一定的優(yōu)勢。此外，封裝有機(jī)基板的生產(chǎn)成本通常比硅基板低，因為它們的生產(chǎn)工藝更簡單，而且在生產(chǎn)過程中可以使用較低成本的材料。

盡管封裝有機(jī)基板具有一些優(yōu)勢，但它們也存在一些局限性。封裝有機(jī)基板的溫度穩(wěn)定性較差，通常不能在高溫條件下使用。此外，封裝有機(jī)基板的電氣性能也較差，具有較高的電阻和較低的電容。這使得它們在高頻電路的應(yīng)用中受到限制（要求更有效地傳輸和儲存電荷）。

在選擇封裝基板時，應(yīng)考慮應(yīng)用的特定要求，并綜合考慮各種因素，如材料性能、生產(chǎn)成本、溫度穩(wěn)定性和電氣性能等。

封裝有機(jī)基板工藝相對于硅工藝的互連襯底工藝有以下優(yōu)勢：

• 材料成本低：封裝有機(jī)基板的材料成本低，相對于硅工藝的互連襯底材料成本降低很多。
• 生產(chǎn)成本低：封裝有機(jī)基板的生產(chǎn)成本低，相對于硅工藝的互連襯底生產(chǎn)成本降低很多。
• 可靠性高：封裝有機(jī)基板的可靠性高，相對于硅工藝的互連襯底可靠性更高。

相對于硅工藝的互連襯底，封裝有機(jī)基板工藝成熟，在材料和生產(chǎn)成本上有巨大優(yōu)勢。

（3）基礎(chǔ)知識科普

A.關(guān)于熱導(dǎo)率：是指物質(zhì)對熱的傳導(dǎo)能力的度量。它是表示物質(zhì)內(nèi)部的熱流密度與表面溫度差的函數(shù)。熱導(dǎo)率越大，物質(zhì)對熱的傳導(dǎo)能力就越強(qiáng)；熱導(dǎo)率越小，物質(zhì)對熱的傳導(dǎo)能力就越弱。因此，較低的熱導(dǎo)率意味著物質(zhì)對熱的傳導(dǎo)能力較弱，在同樣的溫度差下，物質(zhì)內(nèi)部的熱流密度也就較低。這意味著，使用具有較低熱導(dǎo)率的材料可以更有效地散熱，在高溫條件下也可以保持較低的溫度。

B.關(guān)于電導(dǎo)率：是指物質(zhì)對電流的傳導(dǎo)能力的度量。它是表示物質(zhì)內(nèi)部電流密度與電動勢差的函數(shù)。電導(dǎo)率越大，物質(zhì)對電流的傳導(dǎo)能力就越強(qiáng)，在同樣的電動勢差下，物質(zhì)內(nèi)部的電流密度也就較高；電導(dǎo)率越小，物質(zhì)對電流的傳導(dǎo)能力就越弱。這意味著，使用具有較高電導(dǎo)率的材料可以更容易地傳導(dǎo)電流。

C.電氣絕緣性：是指物質(zhì)對電流的隔絕能力的度量。它是表示物質(zhì)內(nèi)部電流密度與表面電動勢差的函數(shù)。電氣絕緣性越高，物質(zhì)對電流的隔絕能力就越強(qiáng)；電氣絕緣性越低，物質(zhì)對電流的隔絕能力就越弱。因此，具有較高電氣絕緣性的物質(zhì)可以隔絕電流，并且在電場作用下不會產(chǎn)生電流。在電子封裝領(lǐng)域中，電氣絕緣性能是一個重要的指標(biāo)。具有較高電氣絕緣性能的基板可以隔絕電流，并且在電場作用下不會產(chǎn)生電流，這對于電路的可靠性和穩(wěn)定性是非常重要的（由于高頻電路中的信號頻率很高，因此較高的電氣絕緣性可以減少電流的漏失，保障信號的傳輸效率和穩(wěn)定性）。

D.熱穩(wěn)定性：是指物質(zhì)在受到熱刺激時，不會發(fā)生結(jié)構(gòu)變化或性能變化的能力。它是表示物質(zhì)在高溫條件下結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定性的度量。熱穩(wěn)定性越高，物質(zhì)在受到熱刺激時就越不會發(fā)生結(jié)構(gòu)變化或性能變化；熱穩(wěn)定性越低，物質(zhì)在受到熱刺激時就越容易發(fā)生結(jié)構(gòu)變化或性能變化。

E.電阻和電容：是兩個重要的電氣特性，它們對于電子元器件在電路中的行為起著重要作用。

電阻是指電子元器件對電流流動的阻力。電阻越大，電流流動越困難，反之電阻越小，電流流動越容易。因此，如果電子元器件的電阻較高，那么它就不能有效地傳輸電流，這對于電子元器件在電路中的應(yīng)用有一定的限制。

電容是指電子元器件在電壓作用下的電荷蓄存能力。電容越大，電荷蓄存能力越強(qiáng)，反之電容越小，電荷蓄存能力越弱。因此，如果電子元器件的電容較低，那么它就不能有效地儲存電荷，這對于電子元器件在電路中的應(yīng)用有一定的限制。

在高頻電路中，電子元器件必須具有較低的電阻和較高的電容，這樣才能有效地傳輸和儲存電荷，從而使電路正常工作。

二、RDL Interposer 技術(shù)

RDL Interposer是一種常用的封裝技術(shù)，常用于制造集成電路和其他電子元器件。該技術(shù)在硅襯底上通過等離子刻蝕等技術(shù)制作帶有通孔（TSV）的硅基板，該硅基板可以為芯片提供互連基礎(chǔ)。在硅基板的正面和背面制作重新分配層（RDL），可以為 TSV 和硅襯底上集成的芯片提供互連基礎(chǔ)。RDL Interposer 技術(shù)可以提高信息傳輸?shù)男屎头€(wěn)定性，在制造集成電路和其他電子元器件方面具有較高的應(yīng)用價值。

RDL（Redistribution Layer）是指再分配層，是一種用于電子產(chǎn)品封裝的技術(shù)。它主要用于將外部電路連接到芯片的內(nèi)部電路。RDL主要由金屬層和基板組成，可以在基板上形成微小的金屬引腳，用于連接不同的電路。RDL Interposer封裝技術(shù)可以將芯片與芯片之間的電路連接距離變得更小，使芯片封裝的密度更高，使信號走線寬度和間距大幅度降低，從而提高單位面積的信號密度，提高電路的性能。

主要原理就是在晶片表面沉積金屬層和介電層。它形成了一個再分配層，以攜帶相應(yīng)的金屬布線模式，并在芯片外的松散區(qū)域上重新排列芯片的IO端口。由于RDL形成的金屬布線的線寬和間距較小，從而提供了更高的互連密度，同時可以通過縮短電路長度來提高信號質(zhì)量，通過減少芯片面積來提高芯片集成能力。

傳統(tǒng)封裝工藝步驟主要在裸片切割分片后進(jìn)行，先對晶圓（Wafer）進(jìn)行切割分片（Dicing），然后再封裝（Packaging）成各種形式。封裝過程中大部分工藝過程都是對晶圓進(jìn)行操作，即在晶圓上進(jìn)行整體封裝（Packaging），封裝完成后再進(jìn)行切割分片。

三、硅中介層（Si Interposer）

Interposer 是一種中介層，常用于分布式系統(tǒng)中，它可以幫助上層或下層的節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行信息交換（比如連接兩個芯片）。Interposer 通常可以使用微凸點(diǎn)（ubump）和 C4 凸點(diǎn)（C4 bump）與芯片、封裝基板進(jìn)行電性能互連，實現(xiàn)芯片與封裝基板之間的信息交換。Interposer 可以用于提高芯片的性能和帶寬，以及使芯片更加緊湊。

Si Interposer 技術(shù)：Si Interposer 技術(shù)是基于硅工藝的傳統(tǒng) 2.5D 封裝技術(shù)。 該技術(shù)在基板和裸片之間放置了額外的硅中介層，Die之間的互連和通信是通過在襯板和芯粒之間放置額外的硅層來實現(xiàn)的，裸片堆疊在中介層的頂部。由于凸塊（Bump）允許的最小間距不足以支持多芯片互連和I/O需求，而硅中介層具有較高的細(xì)間距布線能力，堆疊芯片中再分布互連線。

Die之間的互連和通信是通過在襯板和芯粒之間放置額外的硅層來實現(xiàn)的，裸片堆疊在單個中介層的頂部。不再用線路板或者載板來作為承載芯片連接的載體，可以解決載板自身制造工藝極限所造成的封裝工藝瓶頸問題。

硅中介層會增加Package厚度。Interposer增加額外的成本，尤其是Interposer必須很大，如圖那樣，面積包含所有的Die，大大增加成本。最重要的問題是，Die的所有連接必須全部通過Interposer，包括不需要Die to Die通訊的信號。?

此外，值得注意的是，interposer有兩種，一種叫做無源中介層（Passive interposer）的2.5D封裝形式，中介層只有連接芯片的作用，資源并不能最大化利用，因此嘗試在中介層上使用有源邏輯。有源中介層（Active interposer）里包含電壓調(diào)節(jié)器和一個網(wǎng)絡(luò)，其中該網(wǎng)絡(luò)將內(nèi)核的偏上存儲器各個部分連接在一起，可以實現(xiàn)電源管理、部分模擬電路以及系統(tǒng)輸入輸出等功能，可以實現(xiàn)SoC的基礎(chǔ)邏輯架構(gòu)和傳感器。

無源中介層和有源中介層是兩種不同的層次結(jié)構(gòu)，常用于分布式系統(tǒng)中進(jìn)行信息傳輸和協(xié)調(diào)。它們的區(qū)別主要有以下幾點(diǎn)：

功能不同：無源中介層的主要功能是傳輸信息，而有源中介層的主要功能是協(xié)調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行。

結(jié)構(gòu)不同：無源中介層通常是一種無源結(jié)構(gòu)，沒有自己的控制能力，只能依靠上層或下層的節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行控制。有源中介層通常是一種有源結(jié)構(gòu)，具有自己的控制能力，可以自主協(xié)調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行。

依賴關(guān)系不同：無源中介層依賴于上層或下層的節(jié)點(diǎn)，無法獨(dú)立運(yùn)行。有源中介層具有自己的控制能力，可以獨(dú)立運(yùn)行。

可靠性不同：無源中介層的可靠性取決于上層或下層的節(jié)點(diǎn)的可靠性，如果上層或下層的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，無源中介層的可靠性也會隨之降低。有源中介層具有自己的控制能力，可以自主處理故障，因此可靠性較高

四、嵌入式硅橋（EMIB）

嘗試將基底技術(shù)和硅中介層技術(shù)結(jié)合起來。它在基板上集成了小的薄層——硅橋，用于芯片間的互連，并將硅橋嵌入封裝基板中，從而在性能和成本之間取得了良好的平衡。

?EMIB是一個嵌入在底層封裝基板中的小型硅芯片，并提供了模具之間的專用的超高密度互連。重要的是，EMIB的物理尺寸并不限制可以集成的模具的數(shù)量。相比之下，替代實現(xiàn)使用位于封裝襯底頂部的一大塊Si Interposer，并超過了要集成的模具的整個長度。大量的硅插入器使解決方案成本過高，容易出現(xiàn)翹曲等問題。

五、硅通孔 TSV（Through Silicon Vias）

硅通孔：一種穿通硅圓晶片或芯片的垂直互連結(jié)構(gòu)，可以完成連通上下層晶圓或芯片的功能，是晶圓多層堆疊中有效提高系統(tǒng)整合度與效能的關(guān)鍵工藝。它實現(xiàn)了貫穿整個芯片厚度的垂直電氣連接，更開辟了芯片上下表面之間的最短通路。TSV封裝具有電氣互連性更好、帶寬更寬、互連密度更高、功耗更低、尺寸更小、質(zhì)量更輕等優(yōu)點(diǎn)。

通過硅通孔技術(shù)將多層芯片互連導(dǎo)通，是一項高密度封裝技術(shù)。例如存儲器芯片和處理器芯片可以通過硅通孔（Through Silicon Vias, TSV）技術(shù)的方式連接在一起，不再受載板布線線寬、線距、密度的限制，從而可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)帶寬在接口上的提升。

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芯片相互靠得很近，所以延遲會更少，此外互連長度的縮短，能減少相關(guān)寄生效應(yīng)，使器件以更高的頻率運(yùn)行，從而轉(zhuǎn)化為性能改進(jìn)，并更大程度的降低成本。TSV主要優(yōu)點(diǎn)如下：

• 1、高密度集成：通過先進(jìn)封裝，可以大幅度地提高電子元器件集成度，減小封裝的幾何尺寸，和封裝重量。克服現(xiàn)有的 2D-SIP (System In a Package 二維系統(tǒng)級封裝)和POP (package on package 三維封裝堆疊)系統(tǒng)的不足，滿足微電子產(chǎn)品對于多功能和小型化的要求。
• 2、提高電性能：由于TSV技術(shù)可以大幅度地縮短電互連的長度，從而可以很好地解決出現(xiàn)在 SOC（二維系統(tǒng)級芯片）技術(shù)中的信號延遲等問題，提高電性能。
• 3、多種功能集成：通過 TSV 互連的方式，可以把不同的功能芯片(如射頻、內(nèi)存、邏輯、數(shù)字和 MEMS 等)集成在一起實現(xiàn)電子元器件的多功能。
• 4、降低制造成本：TSV 三維集成技術(shù)雖然目前在工藝上的成本較高，但是可以在元器件的總體水平上降低制造成本。

六、總結(jié)

• Substrate 是芯片的基底，是芯片的基礎(chǔ)構(gòu)件。它通常是一塊硅片或其他半導(dǎo)體材料，用于承載芯片上的元件和連接器。

• Interposer 是一種中間層技術(shù)，用于連接兩個芯片。它通常是一塊硅基底，上面帶有微型連接器，用于將兩個芯片連接在一起。Interposer 可以用于提高芯片的性能和帶寬，以及使芯片更加緊湊。

• RDL（Redistribution Layer）是芯片上的一層連接層，用于將芯片上的電路重新分配。RDL 可以用于提高芯片的性能和效率，以及使芯片更加緊湊。

• EMIB（Embedded Multi-die Interconnect Bridge）是一種新型的芯片連接技術(shù)，用于將多個芯片連接在一起。它使用小型連接器將芯片連接在一起，可以提高芯片的性能和帶寬，以及使芯片更加緊湊。

• TSV（Through-Silicon Via）是芯片上的一種連接技術(shù)，用于將芯片上的電路直接連接在一起。

因此，Interposer 是一種用于連接芯片的中間層技術(shù)，它的基底通常是一塊硅基底，而硅基底也是 Substrate 的一種。因此，Interposer 與 Substrate 有一定的關(guān)系。對于RDL Interposer來說，Si Interposer的信號布線密度進(jìn)一步提高，可以實現(xiàn)更高的 I/O 密度以及更低的傳輸延遲和功耗。然而與有機(jī)基板及RDL Interposer 相比，Si Interposer 的成本更高。

此外，基底、基板和襯底是有區(qū)別的，但它們都可以指 substrate，即芯片的基礎(chǔ)構(gòu)件。基底和基板常用于電子領(lǐng)域，而襯底常用于生物學(xué)領(lǐng)域。

?參考資料：

大部分參考的師兄的PPT和講稿，謝謝師兄！！！

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的傻白入门芯片设计，Substrate/RDL/Interposer/EMIB/TSV（三）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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