Chiplets如此重要的確切原因分析及Chiplets封裝清洗

合明科技發布時間：2023-11-15 ?? 2391 Tags：分隔式處理器先進芯片封裝清洗 Chiplets技術

什么是Chiplets？

Chiplets是分隔式的處理器。不是將每個部分合并到一個芯片中（被稱為單片機的方法），而是將特定的部分作為獨立的芯片來制造。然后，這些獨立的芯片通過一個復雜的連接系統被安裝在一起，成為一個單一的封裝。

這種安排使能夠讓使用最新的制造方法的部件尺寸縮小，提高了工藝的效率，使其能夠裝入更多的部件。

芯片中不能明顯縮小或不需要縮小的部分可以用更舊的、更經濟的方法生產。

雖然制造這種處理器的過程很復雜，但總體成本通常較低。此外，它為處理器公司提供了一個更易于管理的途徑來擴大其產品范圍。

為了充分理解為什么處理器制造商轉向芯片，我們必須首先深入了解這些設備是如何制造的。CPU和GPU開始時是由超純硅制成的大圓盤，通常直徑略小于12英寸（300毫米），厚度為0.04英寸（1毫米）。

這塊硅片經歷了一系列復雜的步驟，形成了不同材料的多層--絕緣體、電介質和金屬。這些層的圖案是通過一種叫做光刻的工藝創建的，在這種工藝中，紫外線通過放大的圖案（掩膜）照射，隨后通過透鏡縮小到所需的尺寸。該圖案以設定的間隔在晶圓表面重復出現，每一個都將最終成為一個處理器。由于芯片是長方形的，而晶圓是圓形的，圖案必須與圓盤的周邊重疊。這些重疊的部分最終會被丟棄，因為它們是無功能的。

一旦完成，將使用應用于每個芯片的探針對晶圓進行測試。電檢結果告知工程師關于處理器的質量與一長串標準的關系。這個初始階段被稱為芯片分選，有助于確定處理器的 "等級"。例如，如果該芯片打算成為一個CPU，那么每個部分都應該正確運作，在特定的電壓下在設定的時鐘速度范圍內運行。然后根據這些測試結果對每個晶圓部分進行分類。

完成后，晶圓被切割成單獨的碎片，或稱 "模具"，可供使用。然后，這些模具被安裝在一個基板上，類似于一個專門的主板。處理器經過進一步的包裝（例如，用散熱器），然后就可以進行銷售了。整個過程可能需要數周的制造時間，臺積電和三星等公司對每個晶圓收取高額費用，根據所使用的工藝節點，費用在3000至20000美元之間。

"工藝節點 "（Process node）是用來描述整個制造系統的術語。歷史上，它們是以晶體管的柵極長度命名的。然而，隨著制造技術的改進，允許越來越小的組件，命名不再遵循芯片的物理方面，現在它只是一個營銷工具。然而，每一個新的工藝節點都會帶來比前者更多的好處。它的生產成本可能更低，在相同的時鐘速度下消耗更少的功率（或者相反），或者具有更高的密度。后者衡量的是在一個給定的芯片區域內可以容納多少元件。在下圖中，你可以看到這些年來GPU（你在PC中發現的最大和最復雜的芯片）的發展情況。

工藝節點的改進為工程師提供了提高其產品能力和性能的手段，而不必使用大而昂貴的芯片。然而，上圖只說明了部分情況，因為不是處理器的每個方面都能從這些進步中受益。芯片內的電路可以被分配到以下幾大類中的一類：（1）邏輯，處理數據、數學和決策；（2）存儲器，通常是SRAM，用于存儲邏輯的數據；（3）模擬，管理芯片和其他設備之間信號的電路。

當邏輯電路隨著工藝節點技術的每一次重大進步而繼續縮小時，模擬電路幾乎沒有變化，SRAM也開始達到極限。

雖然邏輯仍然構成了芯片的最大部分，但今天的CPU和GPU中的SRAM數量在近年來有了顯著增長。例如，AMD在其Radeon VII顯卡中使用的Vega 20芯片的L1和L2緩存合計為5MB。僅僅兩代GPU之后，Navi 21就有超過130MB的各種緩存--比Vega 20多了25倍，令人矚目。

可以預期，隨著新一代處理器的開發，這些水平將繼續提高，但由于存儲器的規模沒有像邏輯那樣縮小，在同一工藝節點上制造所有電路的成本效益將越來越低。

在一個理想的世界里，人們在設計芯片時，模擬部分在最大和最便宜的節點上制造，SRAM部分在更小的節點上制造，而邏輯部分則保留給絕對尖端的技術。不幸的是，這在實踐中是無法實現的。然而，存在一種替代方法。

用Chiplets實現摩爾定律

盡管在半導體制造方面取得了巨大的技術進步，但每個部件可以縮小的程度是有明確限制的。為了繼續提高芯片的性能，工程師們基本上有兩個途徑：增加更多的邏輯，用必要的內存來支持它，以及提高內部時鐘速度。關于后者，一般的CPU在這方面已經多年沒有明顯的變化了。AMD的FX-9590處理器，從2013年開始，在某些工作負載中可以達到5GHz，而其當前型號的最高時鐘速度是5.7GHz（Ryzen 9 7950X）。

英特爾最近推出了酷睿i9-13900KS，在合適的條件下能夠達到6GHz，但其大多數型號的時鐘速度與AMD的相近。

然而，改變的是電路和SRAM的數量。前面提到的FX-9590有8個核心（和8個線程）和8MB的L3緩存，而7950X3D擁有16個核心、32個線程和128MB的L3緩存。英特爾的CPU在核心和SRAM方面也有類似的擴展。

Nvidia的第一個統一著色器GPU，即2006年的G80，由6.81億個晶體管、128個內核和96 kB的二級緩存組成，其芯片面積為484 mm2。快進到2022年，當AD102推出時，它現在由763億個晶體管、18432個內核和98304 kB的二級緩存組成，芯片面積為608 mm2。

1965年，飛兆半導體公司的聯合創始人戈登·摩爾（Gordon Moore）觀察到，在芯片制造的早期，在固定的最低生產成本下，芯片內的元件密度每年都在翻番。這一觀察被稱為摩爾定律，后來根據制造趨勢，被解釋為 "芯片中的晶體管數量每兩年翻一番"。

近六十年來，摩爾定律一直是對半導體行業發展進程的合理準確描述。CPU和GPU在邏輯和內存方面的巨大進步是通過工藝節點的不斷改進實現的，這些年來，組件變得越來越小。然而，這種趨勢不可能永遠持續下去，無論出現什么新技術。

像AMD和英特爾這樣的公司并沒有等待這個極限的到來，而是轉向了Chiplets，探索它們的各種組合方式，以繼續在創造更強大的處理器方面取得進展。

幾十年后的今天，普通的個人電腦可能是由手掌大小的CPU和GPU組成的，但是剝開散熱片，你會發現有許多微小的芯片--不是三四個，而是幾十個，都巧妙地拼接和堆疊在一起。

Chiplets的主導地位才剛剛開始。

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污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環境中的濕氣，通電后發生電化學遷移，形成樹枝狀結構體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導致焊點質量降低、焊接時焊點拉尖、產生氣孔、短路等等多種不良現象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關注的呢？助焊劑或錫膏普遍應用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質在所有污染物中的占據主導，從產品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產品質量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質引發接觸電阻增大，嚴重者導致開路失效，因此焊后必須進行嚴格的清洗，才能保障電路板的質量。

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