在此次关于异构集成发展路线图（Heterogeneous Integration Roadmap ，简称HIR）的专家会议上，I-Connect007编辑团队采访了IEEE电子封装学会（Electronics Packaging Society ，简称EPS）的Paul Wesling。Paul Wesling介绍了HIR涵盖的内容、开发组织的发展方向、行业制定这类发展路线图的路径以及如何将其应用于实际生产中。

 

Nolan Johnson：HIR涵盖了很多将会影响PCB设计、制造和组装的未来技术。您能介绍一下HIR项目是如何开始的，并概述一下HIR吗？

 

Paul Wesling：当2016年国际半导体技术发展路线图（ITRS）宣布时，发展路线图的工作实际上被分解到了不同的领域。封装行业认为应该继续开发路线图。Bill Chen 和 Bill Bottoms领导了这项任务，成立了一批工作组。我们研究了6个应用领域：高性能计算机、医疗、自动驾驶汽车、移动、航空航天和国防以及物联网。路线图中的每一章针对一个市场领域。其次还有关于各个构建模块的章节：单芯片和多芯片集成、光电学、电源、MEMS和传感器，以及所有5G、模拟和混合信号等。

对于基础技术，每类技术都有对应的一章，比如有研究材料和元器件的专门章节。未来器件（如碳纳米管）的主要内容出自电子器件学会（Electron Devices Society ，简称EDS），还有少部分章节是关于供应链和安全方面的内容。这些都是知识产权领域的重大问题，尤其是当全球供应链在PCB设计、测试、集成等方面有不同的突破时。路线图还涵盖了热管理、协同设计和仿真的内容。我们如何开发从晶体管模型一直集成到PCB和系统级并来回传递信息的CAD/EDA系统，而不是目前在单个公司孤岛中完成集成？目前仍然存在同样的问题。

最后，还涵盖了3个技术领域。焦点集中在系统级封装（system-in-package ，简称SiP）选项，以及未来10年至15年的发展方向：3D和3D互连，以及晶圆级、扇入和扇出的晶圆级封装。它还涵盖了模块系统集成和不同的载板内容。上述这些就是路线图的主要内容。

 

Johnson：如何获取路线图？

 

Wesling：在pwesling.com/hir网站上，可以选择任何章节浏览。此外，也有完整的PDF文件（600多页）可以下载，在文件内搜索所需部分，这样更方便。还可以找到为ECTC准备的视频概述，视频是在6月份播出的；是一个有索引的6小时网络研讨会。例如，如果您想了解单芯片和多芯片封装的发展概况，可以跳到第176分钟，观看该工作组负责人针对单芯片和多芯片封装的10分钟总结。我们也有9个长度为1小时的视频概述，以便更深入地介绍。同时，我们仍在为其他章节制作类似的视频。

 

Johnson：HIR的一些技术非常接近于PCB行业，但并非所有的HIR都可直接应用。PCB行业应该如何应用此路线图？

 

Wesling：我们看到有4类不同的群体在使用此路线图。首先，研究10年或15年后技术发展的实验室可以使用。当我们明确他们的研究方向，可以在路线图中每年或每两年反映一次研究成果，发现其研究与其他技术的集成。其次，学术界比如博士后学生，也可以根据他们的工作项目概览路线图。第三，无论是供应商还是用户都希望密切关注技术发展方向。谁也不想研发得不到支持的技术，最终走向死胡同。第四，技术专家可以通过路线图来了解未来10年的技术应该走向何处、如果研究电力电子产品用高阶PCB或类似技术何时可能会出现汽车电子产品和400伏电源分布的集成、这类技术会朝哪个方向发展……等等问题。

我们主要围绕这4个应用群体，包括人以及相应的公司。下一个路线图由一大群志愿者开发，应该很快就会发布。我们的想法是，从400名左右的志愿者那里收集前沿信息，将其纳入更新的路线图，包括线宽的新预测和存在问题，以及正在跟踪的任何内容和发展走向。路线图对这4个群体非常有帮助，是可以免费利用的互动资源，所以我们希望它能被广泛传播。

 

Johnson：路线图上的很多信息都与集成电路（ICs）有关，因为现在很多技术都应用于封装内，所以这一点很有意义。

 

Wesling：路线图涉及到chiplet和更高层次的上下堆叠。

图1. Intel的Agilex FPGA Chiplet应用（来源：Intel）

 

Johnson：由于我们的读者主要来自PCB制造行业，HIR中的技术将如何改变PCB？

 

Wesling：首先，我想谈谈协同设计和仿真。我们希望对PCB所涉及的技术进行权衡，而不是寻找局部最大值或IC布局的优化，然后在板级和系统级进行较低级别的优化。我们希望PCB行业同仁与IC及芯片设计共同协作。CAD/EDA公司提供这类工具会是一个挑战。

 

Andy Shaughnessy：这是工作方式、交流对象以及沟通内容的根本性变化。

 

Happy Holden：我们不能再依赖摩尔定律了。对于5纳米到7纳米的栅极几何结构，我们无法通过达到1纳米、0.1纳米和0.001纳米来获得所有未来的收益。另一种选择是以某种方式将多个芯片以不同的材料组合在一起，以获得性能的提升和更低的成本。

 

Wesling：我们预计单芯片将继续应用，除了特殊情况、大容量或物联网之类外，热设计和互连的局限性是必须考虑的挑战，期望看到更好的优化。在PCB层面可能需要更好的模型，比如可以提取并应用到chiplet级、互连和晶圆级加工的模型。

测试可能会发生大变化。事实证明，对于电路板级别的专业人士来说，转移到新材料、不同的互连速度、不同的内部工艺测试等方面会遇到相当大的困难，我们希望有相应解决方案，测试章节将涵盖此方面的内容。

 

Dan Feinberg：你提到了chiplet，这是相对较新的概念。你还记得chiplet是什么时候首次在相关市场上出现的？

 

Wesling：两年前，美国国防部高级研究计划局（DARPA）推动了chiplet，我们称之为单个芯片或芯片集。我们的路线图的思路是，一堆芯片和一堆被动元器件，比如电感器和电容器，通过互连形成系统。

 

Feinberg：Advanced Micro Devices（AMD） 充分利用chiplet技术而远远领先于英特尔。它还有很多其他用途，但你认为它的驱动因素是什么？对我来说，chiplet的驱动力是行业一直在朝着50线程和100线程CPU的方向发展。

图2. AMD Fiji GPU-HBM硅中介层2.5D封装（来源：ASE）

 

Wesling：AMD首席执行官兼总裁Lisa Su强调了这一点。在路线图中介绍的是他们的前一代产品，他们将大芯片分成4个chiplet，以分散功率，实现更好的互连，并更好地连接到存储器。

航空航天和国防领域认为chiplet将是系统建造的救星，因为他们不能应用SOCs；他们的设计可能只需要200个，但他们需要使用商业chiplet，使其系统能应用其他公司的互连。

 

Holden：对我来说，这是一个老话题，因为1972年，我们把多个砷化镓发光二极管的芯片放在PCB上，然后把它们连接起来，用于第二代计算器之类的产品。每个人都认为这是21世纪的技术，但大多数人并不知道，早在上世纪70年代初，我们就已经做了很多板上芯片和板上多芯片。

 

Wesling：如果读第八章就会发现，我们仍然认为引线键合是连接芯片、三层和四层等的一种高级用途应用。晶圆级封装和倒装芯片可能会有所发展，但仍然会有大量的引线键合。

 

Johnson：Happy的评论让人想起了所有的生产都在同一家公司完成的时代。因为一切都在一个公司内完成，可以开发公司内部的协议和通信。但现在不同了，各种功能角色均由第三方专业公司完成。需要在制造层面与多个OEM就这些非常详细的信息进行沟通至关重要。对于PCB制造商来说，这项技术可能是一个关键点，无论系统运行得多好，都可能会发生故障。

 

Wesling：这就是为什么我们加入了并不十分完善的供应链章节，我们将持续更新其内容。难点在于只有一家公司遵循标准。如果五年后再回过来看现在发布的路线图，会发现其中部分内容并不会被行业采用。这些不是标准，只是部分公司、集团和大学研究团队合作去探究其中是否有潜在解决路径的选项。可能只有少数几项技术会被实施。

另一难点和挑战在于供应链安全。因为我们的供应链包括设计、制造、组装，非常分散，可能性太多，难以预测。这就是为什么该路线图会扩展到600多页的原因。但不是所有可能性都会发生，人们在未来10年里将继续深入探究。

它将如何影响公司决策重点——载板和PCB，更具体地说，此方式是否会消失，是否会被其他多芯片载板取代？聚合物最终会走向何处？低温制程开始了吗？从路线图中可看到什么很有趣的内容？一旦你得到了初步的想法，可能会把它们反馈给工作组成员，因为每章末尾都列出了工作组成员，然后说，“我有这个想法。你们还在考虑这个想法吗？”

今天早上我还在思考路线图的重点到底是什么？其实是制定基本规则和预测，然后每隔几个月，对标新的思路，或者更深入挖掘以前没有涉及到的，说明可能会发生什么，或者纠正之前的想法。今后几个月我们希望2020年版的路线图能够更新许多章节。有几章将完全重写，但大部分只是更新。

 

Johnson：向异构集成和使用chiplet的转变实际上是基于采用中介层，它将未封装的芯片连接到系统中。中介层基本上是系统级封装（SiP）内部的PCB吗？

 

Wesling：是的。中介层位于硅和下一级互连之间。

 

Johnson：中介层采用的互连设计方法通常比在有源硅片中使用的方法要好。这是否意味着PCB设计师的经验在晶圆设计方面会很有价值？需要改变设计工具吗？

 

Wesling：类似于过去的PCB，但密度要高得多。我猜测系统级的封装和载板人员将完成设计功能，而不是PCB行业人员。

 

Holden：我们没有发展路线图，但强调另一个极端也很重要。我看好一次性电子产品和打印电子产品，比如用于收集健康信息的一次性腕带，材质是纸，但装有一个5美分的芯片，可以与智能手机通信，将数据上传后由人工智能判断是否通知我的医生，如果医生发现有什么异常，就给我打电话。

 

Wesling：腕带是卷式印刷，类似报纸一样，价格非常便宜。

 

Holden：部分PCB和FPC制造商决定投资开发这部分市场。

更多内容可点击在线阅读，本文发表于《PCB007中国线上杂志》11月号，更多精彩原创内容，欢迎关注“PCB007中文线上杂志”公众号。

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