CN118099117A - 一种可重用无源硅中介层的芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于可重用无源硅中介层的芯片，包括：多个芯粒；基板，用于提供电源、时钟和芯片外部输入输出信号；由多个瓦片构成的可重用无源硅中介层，每个瓦片表面和底面均具有凸块，通过底面的凸块与该基板电气连接，获取电源、时钟、外部输入输出信号；通过表面的凸块与该芯粒电气连接；且每个瓦片内包含竖直方向的硅通孔，在部分瓦片表面的凸块与瓦片底面的凸块之间形成电气连接，为该芯粒传送电源、时钟、芯片外部输入输出信号。本发明相对于已有的可重用无源硅中介层设计方案，所提出的方案数据传输性能更高、模块化能力更好、能够容忍导线故障。

Description

一种可重用无源硅中介层的芯片

技术领域

本本发明涉及半导体封装领域，具体涉及一种能够在多种系统设计中重复使用的无源硅中介层设计。

背景技术

随着集成电路领域摩尔定律的放缓，传统的2维芯片设计手段愈发难以满足产业界日益增长的芯片性能需求，2.5D(2.5维)封装技术逐渐受到重视。2.5D封装技术通过将一体设计制造的裸片(die)拆分为多个小面积的芯粒(chiplet)，若干个芯粒(chiplet)被焊接在一个硅中介层(silicon interposer)上组成一个2.5D系统。

硅中介层作为封装的载体，需要为芯粒提供包括电源、时钟、外部输入输出以及芯粒间数据传输的信号。现有硅中介层技术可分为无源与有源两种。无源硅中介层仅包含无源器件(如金属导线)，与具有晶体管的有源硅中介层相比制造工艺较为简单，成本大幅降低。

现有的无源硅中介层技术可分为定制与可重用两类：

定制的无源硅中介层需要根据每个2.5D系统中包含的芯粒的大小、位置、数量，以及系统对电源、时钟、外部输入输出以及芯粒间数据传输的需求，对单独对TSV(硅通孔)、导线进行设计与制造，带来高昂的金钱与时间成本。

可重用的无源硅中介层技术旨在设计一款能在多种2.5D系统中使用，并且能满足它们对电源、时钟、外部输入输出以及芯粒间数据传输需求的无源中介层。现有的可重用无源硅中介层技术将硅中介层以轨道(rail)形式组织。一条轨道包含若干根横向的导线，对于跨越轨道的数据传输需要使用桥芯粒(bridgechiplet)。SiPterposer首先由于跨轨道的数据传输集中在桥芯粒中，故而容易发生拥塞，导致系统性能较低。为了应对不同距离轨道间的数据传输，需要生产多种尺寸的桥芯粒，不利于硅中介层的模块化设计。现有的设计也未考虑中介层导线存在故障时的解决方案。

发明内容

本发明的目的是解决上述定制无源硅中介层无法被其他2.5D系统重复使用的缺陷以及现有可重用硅中介层性能低、模块化能力差、不能处理导线故障的问题，提出了一种高数据传输性能、模块化能力强、导线故障容忍的可重用无源硅中介层，具体来说本发明提出了一种基于可重用无源硅中介层的芯片，其中包括：

多个芯粒；

基板，用于提供电源、时钟和芯片外部输入输出信号；

由多个瓦片构成的可重用无源硅中介层，每个瓦片表面和底面均具有凸块，通过底面的凸块与该基板电气连接，获取电源、时钟、外部输入输出信号；通过表面的凸块与该芯粒电气连接；且每个瓦片内包含竖直方向的硅通孔，在部分瓦片表面的凸块与瓦片底面的凸块之间形成电气连接，为该芯粒传送电源、时钟、芯片外部输入输出信号。

所述的基于可重用无源硅中介层的芯片，其中该瓦片包含与相邻瓦片连接的横向导线和纵向导线，用以进行芯粒间的数据传输；每一根金属导线都与瓦片表面的多个微凸块电性连接，该横向导线和该纵向导线构成芯粒间互联网。

所述的基于可重用无源硅中介层的芯片，其中该芯粒间互联网中同一芯粒的数据输入凸块和数据输出凸块间为断路。

所述的基于可重用无源硅中介层的芯片，其中位于单个瓦片上的芯粒为普通芯粒，横跨多个瓦片的芯粒为辅助芯粒，该辅助芯粒用于跨瓦片传递数据。

所述的基于可重用无源硅中介层的芯片，其中该辅助芯粒内设配置寄存器、寄存器、多路选择器和交叉开关；

寄存器，用于寄存待跨瓦片传递的数据；

配置寄存器，用于存放控制该多路选择器和该交叉开关的控制逻辑。

所述的基于可重用无源硅中介层的芯片，其中该配置寄存器通过控制多路选择器和该交叉开关，实现芯粒间数据传输信号经由输入凸块进入该辅助芯粒，寄存于该寄存器中，随后经该交叉开关，去往输出凸块。

所述的基于可重用无源硅中介层的芯片，其中该配置寄存器通过控制多路选择器和该交叉开关，实现芯粒间数据传输信号经由输入凸块进入该辅助芯粒，直接经过该交叉开关，去往输出凸块。

所述的基于可重用无源硅中介层的芯片，其中根据控制信号，将该芯粒间互联网配置为指定拓扑结构，并在运行时实时监测传输质量，动态调整该拓扑结构，以绕开故障导线或路由器进行数据传输。

本发明还提出了一种包括如权利要求1到8任意一种基于可重用无源硅中介层的芯片的处理装置。

由以上方案可知，本发明的优点在于：

相对于定制的无源硅中介层，所提出的硅中介层设计能够避免重新设计中介层的时间、金钱成本，仅通过简单配置，就能为不同的芯粒系统提供电源、时钟、外部输入输出以及芯粒间数据传输信号。相对于已有的可重用无源硅中介层设计方案，所提出的方案数据传输性能更高、模块化能力更好、能够容忍导线故障。故本发明的芯片适合用于低成本、快速集成芯粒，并且对芯粒间通信性能要求较高的场景，例如需要低成本、高生产效率、性能稳定的自动驾驶控制装置等处理装置。

附图说明

图1是本发明基于可重用无源硅中介层的2.5D系统示意图；

图2A是可重用无源硅中介层所使用的瓦片结构的剖面图；

图2B是基于瓦片结构的无源硅中介层的俯视图；

图3为3个芯粒被焊接在了可重用硅中介层的不同位置上示意图；

图4为3*3大小的硅中介层沿着轨迹2进行物理切割示意图；

图5是基于组合的中介层搭建的2.5D系统图；

图6是辅助芯粒架构图；

图7是相同行/列瓦片的单个数据传输示意图；

图8A为如相同行/列瓦片的多个数据传输示意图；

图8B为芯粒1-2向1-3发送数据，进行数据传输3-2的剖面图；

图9A为跨越行列的数据传输示意图；

图9B为辅助芯粒2处连接的剖面图；

图10A为长距离数据传输示意图；

图10B为导线3-1上放置辅助芯粒2的剖面图；

图11为导线断路故障的数据传输图；

图12为导线短路故障的数据传输图。

具体实施方式

发明人在进行无源硅中介层研究时，发现现有的定制无源硅中介层在芯粒的大小、位置、数量发生变化时不能重复使用，也不能根据芯粒间的数据传输需求灵活地改变中介层数据传输路径。发明人经过研究发现，解决该项缺陷可以使用瓦片形式组织的、数据传输路径可配置的中介层解决。此外，发明人在对现有的可重用无源硅中介层进行研究时发现，现有的SiPterposer方案存在缺乏纵向导线资源、桥芯粒大小不确定、未考虑中介层导线存在故障的问题，提出在硅中介层中同时包含横向与纵向的导线资源，利用模块化的辅助芯粒进行辅助数据传输、绕开故障导线进行数据传输的解决方法。

为了支持无源硅中介层在不同的2.5D系统中能够被重复使用，硅中介层首先要能够支持具有不同大小的芯粒的任意放置，本发明提出将硅中介层组织为若干个完全相同的瓦片，每个瓦片都能为堆叠在其上方的芯粒提供标准数量的电源、时钟、外部输入输出与芯粒间数据传输信号。这一模块化的设计使得任意大小的芯粒能够焊接在中介层表面的任意的瓦片区域上。此外，硅中介层还需要支持具有不同数量的芯粒的放置，承载不同数量的芯粒需要不同大小的硅中介层。由于硅中介层采用了瓦片式的模块化设计，硅中介层可以被切割、组合为指定的大小而不影响功能。为了满足各种情形下的芯粒间数据传输需求，所提出硅中介层能够使得数据能够按照用户配置的路径在瓦片之间传输。为了防止不同数据传输之间的干扰，需要切断可能导致传输干扰的导线位置。为了实现数据传输路径的转向与数据信号长距离传输，需要在适当位置放置经过配置的辅助芯粒。对于存在短路、断路故障的导线，通过绕开故障来实现正常的数据传输。

本发明包括如下关键技术点：

关键点1，基于瓦片结构的无源硅中介层设计。每个瓦片上表面覆盖一组微凸块(microbump)，它们能够与上方的芯粒形成电气连接，为芯粒提供电源、时钟、外部输入输出以及芯粒间数据传输信号。每个瓦片下表面覆盖一组凸块(C4bump)，能够与下方的基板形成电气连接，接收电源、时钟、外部输入输出信号。每个瓦片内部包含一组竖直方向的TSV，在部分瓦片上方的微凸块与瓦片下方的凸块之间形成电气连接，为芯粒传送电源、时钟、外部输入输出信号。处于同一行的瓦片被若干根横向的导线连接；处于同一列的瓦片被若干根纵向的金属导线连接。横向与纵向的导线分别为芯粒提供横向与纵向的芯粒间数据传输。每根导线都与瓦片上方的2个微凸块通过金属导线形成电气连接。在横向、纵向导线与瓦片上方微凸块连接处的两侧位置，可通过激光、电、热等方式进行处理，切断该处的电气连接。通过使用瓦片式的模块化结构，无源中介层支持搭建包含不同大小、位置、数量的芯粒的2.5D系统，可以在多种系统中重复使用，无需重新设计。通过使用可断开的导线，中介层支持自定义的数据传输路径，并且多个芯粒能够同时互不干扰地进行数据传输。也使得硅中介层可被任意切割与组合。

关键点2，辅助无源硅中介层数据传输的辅助芯粒。包含由可配置寄存器控制的寄存器、多路选择器、交叉开关。能够改变数据传输方向；能够对长距离传输的数据信号进行寄存，完成数据多周期传输；能够连接两块无源硅中介层组成更大的中介层。

关键点3，可重用无源中介层中路径可配置的数据传输。中介层能够直接支持同一行/列瓦片的单个数据传输；通过断开导线，中介层能够支持同一行/列瓦片的多个数据同时传输；通过使用辅助芯粒，中介层能支持包含路径转向的数据传输；通过使用辅助芯粒，导线能够实现长距离的数据传输。

关键点4，无源硅中介层中导线故障容忍的数据传输方式，绕开发生故障的导线。中介层能够在导线发生部分断路与短路故障时仍能正常工作。

为让本发明的上述特征和效果能阐述的更明确易懂，下文特举实施例，并配合说明书附图作详细说明如下。

图1是一个基于可重用无源硅中介层的2.5D系统。包括1-1，1-2在内的若干个芯粒焊接在可重用无源硅中介层2上，中介层2安装在衬底3上。芯粒与中介层通过微凸块4形成电气连接，中介层与衬底通过凸块5形成电气连接。“可重用”指的并不是某个中介层使用了以后还可以拆下来给另一套系统使用，而是所提出的中介层的设计可以在多种系统中使用而无需重新设计新的中介层。

基于瓦片结构的无源硅中介层。图2A是可重用无源硅中介层所使用的瓦片结构的剖面图。单个瓦片1上表面覆盖包括3-1、3-2、3-3、3-4、3-5在内的固定数量的微凸块，用来与堆叠在其上方的芯粒形成电气连接，为芯粒提供电源、时钟、外部输入输出以及芯粒间数据传输信号。每个瓦片下表面覆盖固定数量的凸块6，用来与衬底形成电气连接或进行机械支撑。固定数量的微凸块3-5可以直接与凸块6通过TSV(硅通孔)5相连，接收来自衬底的电源、时钟、外部输入输出信号。每个瓦片包含固定数量的与相邻瓦片连接的横向金属导线2-1、纵向金属导线2-2，用来进行芯粒间的数据传输。每一根金属导线都与上表面的两个微凸块通过导线形成电气连接，如导线2-2分别通过导线4-1和4-2连接微凸块3-3和3-4。其中一个微凸块负责数据的收取，另一个微凸块负责数据的注入。为了防止在同一根导线上数据传输的干扰，在横向/纵向导线与瓦片上方微凸块连接处的中间位置，如在7-1处，使用特殊的连接材料，可用激光、电、热等处理手段切断该处电气的连接。假定导线2-2执行从右往左的数据传输，微凸块3-3负责数据的注入，另一个微凸块3-4负责数据的收取：断开7-1处，可防止3-3注入的数据与3-4收取的数据发生干扰。

图2B是基于瓦片结构的无源硅中介层的俯视图。1为瓦片。同一行的瓦片通过横向导线2-1连接，处在同一列的瓦片通过纵向导线2-2相连。芯粒通过使用与横向导线连接的微凸块3-1、3-2实现横向的芯粒间数据传输。芯粒通过使用与纵向导线连接的微凸块3-3、3-4实现纵向的芯粒间数据传输；微凸块3-5可以用来进行传输电源、时钟、外部输入输出信号。设计者可以在需要时使用绝缘微凸块来实现机械支撑作用。图2B中画出导线的位宽为1比特，但所提出发明支持任意位宽的导线。

对任意大小、数量、位置的芯粒的支持。如图3所示，3个不同大小的芯粒被焊接在了可重用硅中介层的不同位置上。芯粒2-1覆盖了1*1区域的瓦片，芯粒2-2覆盖了1*2区域的瓦片，芯粒2-3覆盖了2*2区域的瓦片。

中介层的切割。所提出的无源硅中介层设计可以被灵活地切割为更小面积的中介层。如图4所示，3*3大小的硅中介层可以沿着轨迹2进行物理切割，得到更小尺寸的2*2、2*1、1*3的硅中介层，这些硅中介层均具有正常功能。

中介层的组合。所提出的无源硅中介层设计可以被灵活地组合为更大面积的中介层。图5是基于组合的中介层搭建的2.5D系统。中介层3-1和3-2通过辅助芯粒2形成电气连接，安装在衬底4上。此时中介层3-1上的芯粒1-1能够与中介层3-2上的芯粒1-2进行数据传输，辅助芯粒的功能只是传递跨瓦片的数据。

辅助芯粒设计。图6是所提出的辅助芯粒架构图。配置寄存器3通过控制多路选择器5-1、5-2，实现两种信号传输模式。第一种：芯粒间数据传输信号经由输入微凸块1-1、1-2进入辅助芯粒，分别寄存在寄存器2-1、2-2中，随后经过交叉开关4，去往输出微凸块1-3、1-4。这一模式能够实现长距离数据传输中的多周期传输。第二种：芯粒间数据传输信号经由输入微凸块1-1、1-2进入辅助芯粒，直接经过交叉开关4，去往输出微凸块1-3、1-4。在两种模式中，通过配置寄存器控制交叉开关4，1-3可以与1-1或1-2形成电气连接，1-4可以与1-1或1-2形成电气连接，这可以实现数据传输路径的转向。交叉开关的实现方式包括多路选择器、传输门等。注意：图6中只画出了2个输入微凸块到2个输出微凸块的数据传输配置，但所提出的发明支持任意数量的输入微凸块到任意数量的输出微凸块的数据传输配置。

相同行/列瓦片的单个数据传输。如图7，芯粒1-1通过横向导线2-1与芯粒1-2完成同一行瓦片的数据传输3-1，同时，芯粒1-1可以通过导线2-2与芯粒1-3完成同一列瓦片的数据传输。

相同行/列瓦片的多个数据传输。如图8A所示，芯粒1-1、1-2、1-3被放置在同一行的瓦片上；芯粒1-1、1-5、1-4被放置在同一列的瓦片上。在同一行上，芯粒1-1向1-2发送数据，进行数据传输3-1；同时，芯粒1-2向1-3发送数据，进行数据传输3-2。该行的剖面图如8B所示。为了防止在横向导线2-1上的数据传输发生干扰，3处的电气连接被断开。对于不使用的数据传输微凸块4，芯粒不与其建立电气连接。使用类似的方法，也能实现：在同一列上，芯粒1-1向1-5发送数据，进行数据传输3-4；同时，芯粒1-5向1-4发送数据，进行数据传输3-3。注意：图8B中画出导线的位宽为1比特，但所提出发明支持任意位宽的导线。

跨越行列的数据传输。如图9A所示，芯粒1-1需要向芯粒1-2发送数据，进行数据传输4。由于芯粒1-1与1-2既不在同一行也不在同一列上，需要使用辅助芯粒2完成数据传输从导线3-1到导线3-2的转向。辅助芯粒2处连接的剖面图如图9B所示。导线3-1上的数据信号经过微凸块5-1进入辅助芯粒2，辅助芯粒2经过配置以后，能够经由微凸块5-2传送到导线3-2上，完成数据传输信号转向。对于不使用的数据传输微凸块5-3，芯粒不与其建立电气连接。注意：图9B中画出导线的位宽为1比特，但所提出发明支持任意位宽的导线。

长距离数据传输。如图10A所示，芯粒1-1通过导线3-1向芯粒1-2发送数据，进行数据传输4。由于芯粒1-1与芯粒1-2间距过远，数据无法在1个时钟周期内完成传输。此时在导线3-1上放置辅助芯粒2，其剖面图如图10B所示。导线3-1上的数据信号经过微凸块5-1进入辅助芯粒，配置后的辅助芯粒会将信号寄存后然后再经过微凸块5-4传输回导线3-1上。为了防止导线3-1上的数据干扰，导线位置6处被断开。由于导线3-2未被使用，所以芯粒不与微凸块5-2、5-3建立电气连接。注意：图10A假定数据信号1个周期内只能传递2个瓦片的距离，但所提出的发明适用于1个周期内任意大小的传输距离。图10B中画出导线的位宽为1比特，但所提出发明支持任意位宽的导线。

导线断路故障的数据传输。如图11所示，芯粒1-1需要发送数据到芯粒1-2，进行数据传输4。此时导线3-1上发生断路故障5。为了完成所需传输，需要使用新的芯粒间数据传输路径：导线3-4→导线3-3→导线3-2。由于导线3-4到导线3-3、导线3-3到导线3-2均存在转向，所以分别使用辅助芯粒2-1、2-2完成数据传输。

导线短路故障的数据传输。如图12所示，芯粒1-1需要发送数据到芯粒1-2，进行数据传输4-1；芯粒1-4需要发送数据到芯粒1-3，进行数据传输4-2。此时在导线3-1与3-2之间存在短路故障5，数据传输4-1经由导线3-1完成。为了避免导线3-1与3-2的数据传输发生干扰，需要使用新的芯粒间数据传输路径：数据传输4-2经由导线3-5→导线3-4→导线3-3完成。由于导线3-5到导线3-4、导线3-4到导线3-3均存在转向，所以分别使用辅助芯粒2-1、2-2完成数据传输。

Claims (9)

1.一种基于可重用无源硅中介层的芯片，其特征在于，包括：

多个芯粒；

基板，用于提供电源、时钟和芯片外部输入输出信号；

由多个瓦片构成的可重用无源硅中介层，每个瓦片表面和底面均具有凸块，通过底面的凸块与该基板电气连接，获取电源、时钟、外部输入输出信号；通过表面的凸块与该芯粒电气连接；且每个瓦片内包含竖直方向的硅通孔，在部分瓦片表面的凸块与瓦片底面的凸块之间形成电气连接，为该芯粒传送电源、时钟、芯片外部输入输出信号。

2.如权利要求1所述的基于可重用无源硅中介层的芯片，其特征在于，该瓦片包含与相邻瓦片连接的横向导线和纵向导线，用以进行芯粒间的数据传输；每一根金属导线都与瓦片表面的多个微凸块电性连接，该横向导线和该纵向导线构成芯粒间互联网。

3.如权利要求2所述的基于可重用无源硅中介层的芯片，其特征在于，该芯粒间互联网中同一芯粒的数据输入凸块和数据输出凸块间为断路。

4.如权利要求1所述的基于可重用无源硅中介层的芯片，其特征在于，位于单个瓦片上的芯粒为普通芯粒，横跨多个瓦片的芯粒为辅助芯粒，该辅助芯粒用于跨瓦片传递数据。

5.如权利要求4所述的基于可重用无源硅中介层的芯片，其特征在于，该辅助芯粒内设配置寄存器、寄存器、多路选择器和交叉开关；

寄存器，用于寄存待跨瓦片传递的数据；

配置寄存器，用于存放控制该多路选择器和该交叉开关的控制逻辑。

6.如权利要求5所述的基于可重用无源硅中介层的芯片，其特征在于，该配置寄存器通过控制多路选择器和该交叉开关，实现芯粒间数据传输信号经由输入凸块进入该辅助芯粒，寄存于该寄存器中，随后经该交叉开关，去往输出凸块。

7.如权利要求5所述的基于可重用无源硅中介层的芯片，其特征在于，该配置寄存器通过控制多路选择器和该交叉开关，实现芯粒间数据传输信号经由输入凸块进入该辅助芯粒，直接经过该交叉开关，去往输出凸块。

8.如权利要求2所述的基于可重用无源硅中介层的芯片，其特征在于，根据控制信号，将该芯粒间互联网配置为指定拓扑结构，并在运行时实时监测传输质量，动态调整该拓扑结构，以绕开故障导线或路由器进行数据传输。

9.一种包括如权利要求1到8任意一种基于可重用无源硅中介层的芯片的处理装置。