文章核心观点 - 半导体互连架构正从传统的两级（芯片和PCB）演变为复杂的五级系统（芯片、堆叠层、中介层、基板、PCB），这一渐进式演变旨在应对性能、功耗和集成度提升带来的挑战，但也显著增加了设计和验证的复杂性 [1][3][25][26] 互连架构的演变与挑战 - 传统互连采用两级结构：集成电路（IC）本身的金属布线和印刷电路板（PCB）上的金属布线，两者线间距差异可达六个数量级，缺乏中间尺度 [1][3] - 性能提升使得信号传输线路至关重要，过长的线路会降低性能 [3] - 芯片功率提升至千瓦级，散热难度增加，旧式封装通过引线框架和散热器的散热方法已不足够 [4] - 芯片集成度提高导致功率密度（单位面积或体积的功率）增长速度可能超过功率本身，加剧散热挑战 [4] 封装与基板的作用 - 倒装芯片封装取代引线框架，将芯片连接到由有机材料制成的封装基板上，基板成为一种全新的互连方式 [6] - 基板本质上是小型高精度PCB，可有多层布线，其线路可以比PCB上的线路更密集，有助于缩短线路、提高信号质量并提供更多I/O接口散热 [6][7] - 基板允许安装多个芯片，成为封装设计的一部分，改变了芯片与封装设计分离的传统 [7] 三维集成与硅通孔技术 - 通过硅通孔（TSV）技术实现芯片3D堆叠，允许信号在芯片间垂直传输，但每个TSV只能传输一个固定信号，灵活性较低 [9] - 芯片堆叠极大地增加了散热难度，堆叠中间的芯片缺乏有效散热路径，热量会在相邻芯片间传递 [11] - 堆叠结构的键合技术中，传统微凸点互连占主导，但混合键合是性能更高、成本也更高的解决方案 [11] 2.5D集成与中介层 - 2.5D集成利用中介层作为中间“PCB”，其线间距比PCB或基板上的更小，允许安装多个裸芯片 [13] - 中介层可以是成本较低的有机材料或可实现更精细尺寸的硅材料，目前约有四层布线，预计会增加到八到九层 [13] - 使用中介层可将原本在PCB上连接的芯片置于封装内部，或将单片系统级芯片（SoC）分割成多个小芯片，以提高功耗、性能和面积 [14] - 硅中介层线间距最小但成本高，有机中介层线间距约为2至5微米，基板线间距约为25至50微米，用基板代替中介层是更具成本效益的方案，但中介层对高性能计算应用仍有很高实用价值 [16] 设计与验证复杂性的提升 - 五层互连系统的设计和验证过程比过去复杂得多，封装内部的四层必须一起设计和验证 [17] - 早期架构设计阶段需评估包括是否需要封装盖在内的机械与散热方案，互连层级的选择影响布线性能和分区效果 [18] - 验证工作从早期开始，范围包括结构材料分析、布局规划、翘曲分析、电学仿真、功耗、热通量、散热方法评估以及多物理场分析 [20] - 集成团队需验证功能、信号完整性、电源完整性、抗翘曲鲁棒性及整体散热性能，而不仅仅是估算 [21] 电源传输与信号完整性的优化 - 互连层增加使得电压调节可更靠近芯片，电压调节器可置于封装内部，安装在基板或中介层上 [23] - 去耦电容可移至封装下方、基板上或中介层上，新技术使其能集成到基板或中介层的核心层中，以缓冲电压波动、提高信号完整性 [23] - 所有五个互连层级都为将电源和去耦电容电路更靠近芯片提供了机会，未来可能在所有层级采用以提升性能极限 [23]