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芯片的连接方式

时间:2025-08-25 09:41 作者:小编 分享到:

一个典型的硅芯片最多可以包含五种不同的互连元素:


线:线是最常见的互连形式,用于在芯片上短距离或长距离传输信号。它们由金属或多种金属组合而成。布线的灵活性取决于制造工艺的先进程度。多个层可以承载线路,并由介电材料隔开。先进制程节点可拥有多达15层线路。

通孔(Vias):通孔连接一个金属层上的线路到另一个层上的线路,同样由金属或金属组合制成。

局部互连(Local interconnect):这是一种特殊的互连层,通常由掺杂多晶硅制成。它连接晶体管正上方的端子,位于金属层以下。不同的代工厂实现方式可能不同,具体细节通常不会公开。

接触孔(Contacts):这是位于有源硅正上方介电层中的开口,金属通过它们连接晶体管。它们位于最底层金属之下,并可通过常规金属线或局部互连进行连接。

硅通孔(TSV):这些通孔从晶圆正面某一金属层穿透至背面,而不是从一个金属层到相邻金属层。当芯片正面朝上封装时,TSV 是将连接延伸到晶圆背面的关键方式。

焊盘(Bond pads):这些是暴露于外部的金属焊盘,用于连接键合线或焊球/凸点。

焊球或凸点(Balls or bumps):这是利用表面贴装技术(SMT)而非线焊的芯片安装方式。焊球通常由焊锡制成,而非铜或铝。

金属线
芯片上的大部分互连结构由金属线组成。在通孔的帮助下,通常可以实现多层金属互连。下层金属层通常用于最窄最短的连接;而上层金属层用于较长的连接,以及电源和接地的分布,这些层的线宽和厚度都更大。
线宽和线厚必须平衡,以便在保证足够连接空间的同时控制电流密度在合理范围内。如果电流过大而线路又过窄,会影响线路的长期可靠性。
在早期工艺中,每一层金属层都可进行二维(2D)布线,即线路可以有拐角,并沿东西或南北方向布线。大多数情况下(特别是数字电路)都使用“曼哈顿布线”,即线路只沿东西或南北方向布置,不会以倾斜角度布线。模拟或光子芯片可能存在例外情况。
在更先进节点的光刻技术中,打印拐角变得具有挑战性,因为要打印的特征尺寸比用于曝光它们的光的波长小得多。因此,后来的节点强制采用一维布线。任何给定层上的所有线路都必须沿东西向或南北向布线,不能有拐角。交替的层可以相互正交运行,从而允许相同的布线,但以不同的方式分解。然而,一维布线可能需要更多的通孔,而通孔的电阻可能比金属线更高。因此,确定理想的布线也需要尽量减少“拐角”的数量,这些“拐角”现在是跳到另一层。
局部互连
晶体管端子之间在非常局部层面的短互连可以通过局部互连来实现。与其他互连不同,这种互连倾向于是掺杂的多晶硅。它已由各种代工厂实施,但细节作为竞争优势被更严格地保密。
接触点
接触点是 FEOL(前端工艺)期间构建的结构与 BEOL(后端工艺)期间构建的互连基础设施连接的点。它们类似于通孔,只是它们不接触较低的金属层。相反,它们接触暴露的晶体管(以及其他)端子。接触点往往比通孔小,但同样,尺寸和位置会影响加工良率和性能。与通孔尺寸一样,关于接触点构造的规则也包含在 PDK(工艺设计工具包)中。
硅通孔(TSV)
接触孔和通孔将晶体管等器件产生的信号引导至芯片顶层,以连接芯片外部。而当多个芯片堆叠在一起但仍需连接到外部时,TSV 就变得不可或缺。
两个芯片可以正面相对地键合,这种方式允许信号在芯片间从正面传递(如传统方式)。但要将该堆叠结构连接至外部,还需从最底部芯片的背面引出信号。
 背面供电(Backside Power Delivery)    大量生产的芯片通常将所有金属层设置在硅片上方,这意味着电源和接地需与信号线路共享布线空间。因此,业界正在探索“背面供电”方案,在晶圆背面增加几层金属层,用于电源与接地布线。 
 这也就意味着,电源与接地仍需通过 TSV 与靠近晶圆顶部的器件连接。



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