一文看懂TSV技術(shù)

從HBM存儲(chǔ)器到3D NAND芯片，再到CoWoS，硬件市場(chǎng)上有許多芯片是用英文稱(chēng)為T(mén)SV構(gòu)建的，TSV是首字母縮寫(xiě)，意為“通過(guò)硅通孔”并翻譯為via硅的事實(shí)，它們垂直地穿過(guò)的芯片和允許在它們之間垂直互通。在本文中，我們將告訴您它們是什么，它們?nèi)绾喂ぷ饕约八鼈兊挠猛尽?/span>

TSV不僅賦予了芯片縱向維度的集成能力，而且它具有最短的電傳輸路徑以及優(yōu)異的抗干擾性能。隨著摩爾定律慢慢走到盡頭，半導(dǎo)體器件的微型化也越來(lái)越依賴(lài)于集成TSV的先進(jìn)封裝。TSV對(duì)于像CMOS Image Sensor(CIS，CMOS圖像傳感器)，High Bandwidth Memory(HBM)以及Silicon interposer(硅轉(zhuǎn)接板)都極其重要。因?yàn)榇嬖诟泄饷娴木壒剩?span style="margin:0px;padding:0px;outline:0px;max-width:100%;box-sizing:border-box !important;overflow-wrap:break-word !important;font-family:Optima-Regular, PingFangTC-light;">CIS芯片的電信號(hào)必須從背部引出，TSV因此成為其必不可少的電互連結(jié)構(gòu)。HBM是基于多層堆疊的存儲(chǔ)芯片，如今HBM已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)12層的堆疊，16層以上更多層的堆疊相信在不久的將來(lái)也會(huì)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然這一切都離不開(kāi)TSV的互連。而Silicon interposer可以將多種芯片，像CPU, memory, ASIC等集成到一個(gè)封裝模塊的關(guān)鍵組件，它的垂直互連同樣需要TSV。事實(shí)上，法國(guó)的Yole development咨詢(xún)公司曾做過(guò)一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)TSV幾乎可以應(yīng)用于任何芯片的封裝以及任何類(lèi)型的先進(jìn)封裝，包括LED, MEMS等。

正是因?yàn)門(mén)SV的重要性，各大Foundry和OSTA公司也不斷投入TSV技術(shù)的研發(fā)。這階段的研發(fā)重點(diǎn)是如何保證電鍍沉積主要發(fā)生在TSV孔內(nèi)而不是硅片表面。如果不采取任何措施，電鍍時(shí)硅表面金屬沉積的速度會(huì)遠(yuǎn)快于TSV孔內(nèi)。這個(gè)問(wèn)題目前的解決方法是在電鍍液中添加抑制劑和加速劑，分別抑制硅片表面的金屬沉積并加速TSV孔內(nèi)的沉積。為了獲得完美的填充效果和足夠高的良率，各大Foundry和OSTA公司都做了大量研究以獲得最佳的電鍍的參數(shù)，例如電流，溫度，硅片的與電極的相對(duì)位置，添加劑的濃度等。各大半導(dǎo)體設(shè)備公司也開(kāi)始針對(duì)TSV的電鍍推出專(zhuān)用的半導(dǎo)體設(shè)備。

在硬件世界中，經(jīng)常用與速度有關(guān)的術(shù)語(yǔ)來(lái)談?wù)撍?，即是否是?nèi)存的帶寬，處理器的時(shí)鐘周期，處理器每秒執(zhí)行某種類(lèi)型的計(jì)算的次數(shù)等等，但是我們很少問(wèn)自己這些芯片如何相互通信以及這是否重要。

在本文中，我們將討論一種稱(chēng)為T(mén)SV的技術(shù)，該技術(shù)可用于相互通信的芯片。

什么是硅或TSV通路？

如果我們看大多數(shù)主板，可以看到兩件事：第一，芯片之間的大多數(shù)連接都是水平的，這意味著板上發(fā)送芯片間信號(hào)的路徑是水平通信的。

PCB

然后是CPU的情況，這些CPU放置在我們稱(chēng)為插座的插入器的頂部，并且處理器在這些插入器上垂直連接。

SocketCPU

但是通常，在99％的時(shí)間中，我們觀察到通常沒(méi)有相互垂直連接的芯片，盡管事實(shí)上芯片和處理器的設(shè)計(jì)朝著這個(gè)方向發(fā)展，并且市場(chǎng)上已經(jīng)有這種類(lèi)型的示例。但是，如何使兩個(gè)或更多芯片垂直互連？

TSV

好吧，正是通過(guò)所謂的硅通道來(lái)完成的，硅通道垂直穿過(guò)組成堆棧的同一芯片的不同芯片或不同層，這就是為什么它們被稱(chēng)為“通過(guò)”硅通道，因?yàn)樗鼈儗?shí)際上是通過(guò)的。

使用TSV的應(yīng)用和優(yōu)勢(shì)

TSV的應(yīng)用之一是，它允許將由不同部分組成的復(fù)雜處理器分離在幾個(gè)不同的芯片上，并具有以下附加優(yōu)點(diǎn)：垂直連接允許更多數(shù)量的連接，這有助于實(shí)現(xiàn)更大的帶寬，而無(wú)需額外的帶寬。很高的時(shí)鐘頻率會(huì)增加數(shù)據(jù)傳輸期間的功耗。

例如，在將來(lái)，我們將看到CPU和GPU的最后一級(jí)緩存將不在芯片上，它們具有相同的帶寬，但存儲(chǔ)容量卻是原來(lái)的幾倍，這將大大提高性能。我們也有使用FSV來(lái)通信Lakefield SoC的兩個(gè)部分的Intel Foveros示例，即帶有系統(tǒng)I / O所在的基本芯片的計(jì)算芯片。

LakefieldFoveros

將處理器劃分為不同部分的原因是，隨著芯片的變大，電路中錯(cuò)誤的可能性越來(lái)越大，因此沒(méi)有故障的優(yōu)質(zhì)芯片的數(shù)量會(huì)增加。他們可以使用的更少，而那些做得好的人必須支付失敗者的費(fèi)用；這意味著從理論上減小芯片的尺寸會(huì)降低總體成本，盡管稍后我們將看到情況并非完全如此。

HBM-vs-GDDR