DBHi先进封装工艺详细介绍

DBHi (Direct Bonded Heterogeneous Integration，直接键合异构集成)是IBM提出的一种基于硅桥芯片互连的先进封装技术，是一种基于直接键合的异构集成技术。这项技术旨在解决先进封装中互连密度、成本和可靠性问题，是芯片级异构集成的重要解决方案。

核心原理与特点

1. 基本工作原理

DBHi技术的核心是通过直接键合方式将硅桥与芯片连接，形成芯片-硅桥预制件，然后将预制件与基板进行封装。与传统封装方式不同，DBHi的硅桥不会被完全包封，而是直接与芯片形成互连结构。

2. 与EMIB的关键区别

DBHi与英特尔的EMIB技术存在几个关键差异：

3. 工艺流程

DBHi的封装工艺主要包括以下步骤：

1. 预制件制作：在硅桥上生长C2铜柱凸点，在芯片上生长C2球状凸点及焊盘

2. 芯片-桥键合：使用非导电浆料(NCP)和热压缩键合(TCB)将芯片1与硅桥键合

3. 芯片-桥键合：使用NCP和TCB将芯片2与硅桥键合，形成芯片1+桥+芯片2的模块

4. 基板组装：将模块放置在带有腔结构的有机基板上，进行标准倒装焊(reflow)组装

5. 保护处理：桥下填充可选，用于保护键合界面

4. 工艺优势

(1) 高性能互连

• 硅桥上的BEOL级细间距互连可实现高带宽互连

• 通过匹配芯片和桥接器的CTE(热膨胀系数)，实现约30µm的细间距互连接头

(2) 降低成本

• 低BoM(物料清单)成本：使用标准间距基板，不需要大型硅中介层、细间距RDL或桥式嵌入式基板

• 与EMIB相比，基板设计更简单，制造流程更短

(3) 提高可靠性

• 由于硅桥与芯片直接键合，减少了中间层的可靠性风险

• 避免了在基板中嵌入硅桥带来的应力问题

(4) 工艺简化

• 无需在基板上制造复杂的腔体结构

• 2023年，IBM在IEEE/ECTC上发表论文提出，甚至可以不需要在基板上加工腔结构，进一步简化工艺

技术发展与应用

1. 发展历程

• 2021-2022年：IBM在IEEE/ECTC会议上发表7篇关于DBHi的论文

• 2023年：IBM发表"直接键合异构集成(DBHi)：用于芯片拼贴的表面桥技术"论文，提出可省略基板腔结构

2. 应用场景

DBHi技术适用于需要高带宽、低延迟、低功耗通信的芯片互连场景，特别适合：

• 多芯片系统集成

• 高性能计算(HPC)应用

• 人工智能加速器

• 芯粒(Chiplet)集成

3. 与行业趋势的结合

DBHi技术与当前芯片封装行业的发展趋势高度契合：

• 与UCIe(通用芯粒互连)标准兼容，支持芯粒集成

• 作为替代传统TSV(硅通孔)中介层的方案，降低封装成本

• 与混合键合技术结合，可进一步提高互连密度

核心原理与技术特点

DBHi技术并非简单地将芯片并排摆放，而是通过一个嵌入式的硅桥（Si-Bridge）作为芯片间的“高速专用通道”。其结构和工作原理与传统2.5D封装有明显区别：

与同类技术对比

1. 与EMIB对比

• DBHi：硅桥与芯片直接键合，基板结构简单，成本更低

• EMIB：硅桥嵌入基板腔体，需要复杂基板制造，成本较高

2. 与台积电LSI对比

• DBHi：硅桥与芯片直接键合，不需要嵌入基板

• LSI：硅桥嵌入基板中的EMC(嵌入式模塑料)层，需在基板中制造腔体

3. 与混合键合技术对比

• DBHi：使用C4和C2凸点，互连间距较大

• 混合键合：使用Cu-Cu直接键合，可实现更小间距(约8µm)和更高密度

技术前景

DBHi技术代表了先进封装中硅桥互连技术的创新方向，其简化的设计和制造流程使其在成本敏感的应用中具有明显优势。随着Chiplet(芯粒)架构的普及，DBHi等硅桥互连技术将在异构集成中扮演越来越重要的角色。

IBM在DBHi技术上的持续创新，特别是2023年提出可省略基板腔结构的改进，进一步降低了技术复杂度和成本，为DBHi技术的商业化应用铺平了道路。随着UCIe等标准的推广，DBHi有望成为Chiplet集成的主流方案之一。

总结

DBHi技术通过直接键合方式将硅桥与芯片连接，避免了传统封装中复杂的硅中介层和基板结构，显著降低了制造成本，同时保持了高性能的互连特性。其核心优势在于：

1. 简化的封装基板设计

2. 低成本的制造工艺

3. 高可靠性的互连结构

4. 与行业标准的兼容性

随着Chiplet架构的普及和先进封装技术的发展，DBHi技术有望在高性能计算、人工智能和数据中心等领域得到广泛应用。

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