一种面向集成化芯片系统的供电结构

本发明涉及半导体，尤其涉及一种面向集成化芯片系统的供电结构。

背景技术：

1、目前，随着人工智能对运算速度的要求不断提升，集成化芯片已经成为提高芯片算力的有效方案。芯片工艺中，先进光刻机单次曝光所能支持的最大区域面积(reticlesize)为3.3cm×2.6cm，这样一次最大面积曝光将形成至少一个器件设计(die)。面积大于3.3cm×2.6cm的芯片包含多个die，因此称这样的芯片为集成化芯片。集成化芯片能够同时实现多个die的功能，并减少die间通信带宽的限制，从而获得带宽提升。

2、多个封装在同一基板上的逻辑芯片组成的芯片集合与以上所述集成化芯片呈现类似的结构与功能，故本发明称这两种结构为集成化芯片系统，如图1所示；为了表达方便，本发明将集成化芯片系统的重复性单元称为tile。对于集成化芯片而言，芯片中的一个die就是一个tile；对于芯片集合而言，集合中的一个芯片就是一个tile。

3、参考文献designing a 2048-chiplet，14336-core waferscale processor，集成化芯片系统主要有横向供电和垂直供电两种供电方案。其中横向供电方案选用dc-dc降压转换器作为电源管理模块，并将其设置在集成化芯片系统的水平相邻位置，电信号通过集成化芯片系统四周的电源管脚进入，再通过片上电源走线传输至芯片系统上的各个tile；垂直供电方案选用基于ldo电路的电源管理模块，并将其设置在集成化芯片系统上，电信号直接垂直进入各个tile的电源管脚。垂直供电方法相比横向供电方法的优点包括：

4、(1)避免使用dc-dc降压转换器中的大面积片外器件，如电感和电容，节约了封装的面积；

5、(2)片上电源走线产生的pdn阻抗会导致位于芯片系统边缘的tile与位于中心的tile形成ir-drop的较大差别，可能引发多tile系统的时序问题和信号完整性问题，而垂直供电可以避免这一点。因此，采用片上ldo芯片为集成化芯片系统垂直供电已成为主流的供电方案。

6、如图2所示，利用硅通孔技术(through silicon via，tsv)完成多个ldo芯片向集成化芯片系统供电是可选方案之一。然而，tsv的制作工艺复杂，将会大幅提高芯片封装的工艺成本。2.5dic设计中的中介层技术可以避免采用tsv。如图3所示，中介层技术将ldo芯片102、103、104并排水平放置在中介层109顶部，而集成化芯片105位于中介层底部。各个ldo芯片与集成化芯片105通过中介层109中的垂直结构107互连，从而分别对集成化芯片中各个tile进行供电。所述中介层可以选用硅以外的材料制作，因此能够避免tsv的使用，显著减少成本。

7、目前，集成化芯片借助中介层技术完成pdn设计的困难主要体现为ldo芯片的设计复杂性。如图3所示，中介层109中包含重布线层(rdl层)，所述rdl层用于将直流电源提供的电压和接地信号从中介层两边传递至各个ldo芯片，形成结构的全局pdn。全局pdn中各个ldo芯片的金属走线长度不同，因此产生不同的走线压降，导致各个ldo芯片输入电压的差异。然而同构的集成化芯片场景要求各tile有相同的电压输入，则各个ldo芯片需要在输入电压差异较大的情况下输出相同的电压，这提高了ldo设计的难度。在此基础上，如何设计与控制全局pdn从而降低ldo芯片的设计复杂性已经成为集成化芯片系统pdn设计的关键。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的问题，提供了一种面向集成化芯片系统的供电结构，本供电结构不仅能够有效降低集成化芯片系统场景的供电成本，而且能够实现结构中电源管理系统中各个电源管理模块的同一压降，从而降低电源管理系统的设计复杂度。

2、上述目的是通过以下技术方案来实现：

3、一种面向集成化芯片系统的供电结构，包括电源管理系统、中介层和集成化芯片系统，所述中介层包括基板层、rdl层和可垂直贯穿所述中介层的垂直连接结构，所述垂直连接结构的上下两端分别设置有互连件，所述电源管理系统通过所述互连件与所述垂直连接结构的上端连接，所述集成化芯片系统通过所述互连件与所述垂直连接结构的下端连接。

4、进一步地，所述rdl层由多层金属层以及相邻所述金属层之间的绝缘介质层依次铺设而成，构成“金属-介质-金属”的典型电容器结构；在所述金属层上设置有金属走线，在所述绝缘介质层中设置有导电通孔，所述导电通孔连接相邻金属层上的所述金属走线；

5、所述基板层设置于所述rdl层下方，用于承载所述rdl层及实现所述rdl层与所述集成化芯片系统的连接。

6、进一步地，所述电源管理系统中执行电压变换的电路为ldo电路，所述ldo电路能够提供稳定的电压输出；

7、所述电源管理系统为由多个所述ldo电路组成的分布式电源管理芯片，或者是由多个所述分布式电源管理芯片组成的芯片集合。

8、进一步地，还包括可提供直流电源的全局电源，所述全局电源将直流电源沿所述中介层的边沿输入；所述rdl层中的所述金属走线及所述导电通孔将所述全局电源供给的电压和接地信号连接至所述电源管理系统，形成本结构的全局pdn；所述电源管理系统的输出电压分别通过所述中介层中的所述垂直连接件传递给所述集成化芯片系统，形成局部pdn。

9、进一步地，在所述rdl层顶部所述的金属层上设置有若干导电衬垫，所述导电衬垫用于承载设置于所述电源管理系统下方的所述互连件，并构成电气连接。

10、进一步地，所述互连件为微凸块，所述微凸块为铜柱、焊球、可控坍塌芯片连接结构中的一种或多种的组合。

11、进一步地，所述集成化芯片系统指尺寸大于3.3cm×2.6cm的逻辑芯片，或者是由多个封装在同一基板上的所述逻辑芯片组成的芯片集合。

12、进一步地，所述基板层为玻璃基板、或陶瓷基板、或绝缘复合层。

13、进一步地，所述rdl层中的所述金属层的层数至少为两层，所述绝缘介质层的层数至少为一层，且所述rdl层的顶部和底部必须为所述金属层。

14、进一步地，所述绝缘介质的材料包括但不限于聚酰亚胺、二氧化硅。

15、有益效果

16、本发明所提供的一种面向集成化芯片系统的供电结构，通过2.5d中介层技术能够实现电源管理系统与集成化芯片系统的高密度互连，满足了集成化芯片系统对供电电压的需求，并且能够实现封装体积小、电信号传输质量高的效果。

技术特征：

1.一种面向集成化芯片系统的供电结构，其特征在于，包括电源管理系统、中介层和集成化芯片系统，所述中介层包括基板层、rdl层和可垂直贯穿所述中介层的垂直连接结构，所述垂直连接结构的上下两端分别设置有互连件，所述电源管理系统通过所述互连件与所述垂直连接结构的上端连接，所述集成化芯片系统通过所述互连件与所述垂直连接结构的下端连接。

2.根据权利要求1所述的一种面向集成化芯片系统的供电结构，其特征在于，所述rdl层由多层金属层以及相邻所述金属层之间的绝缘介质层依次铺设而成，构成“金属-介质-金属”的典型电容器结构；在所述金属层上设置有金属走线，在所述绝缘介质层中设置有导电通孔，所述导电通孔连接相邻金属层上的所述金属走线；

3.根据权利要求1所述的一种面向集成化芯片系统的供电结构，其特征在于，所述电源管理系统中执行电压变换的电路为ldo电路，所述ldo电路能够提供稳定的电压输出；

4.根据权利要求2所述的一种面向集成化芯片系统的供电结构，其特征在于，还包括可提供直流电源的全局电源，所述全局电源将直流电源沿所述中介层的边沿输入；所述rdl层中的所述金属走线及所述导电通孔将所述全局电源供给的电压和接地信号连接至所述电源管理系统，形成本结构的全局pdn；所述电源管理系统的输出电压分别通过所述中介层中的所述垂直连接件传递给所述集成化芯片系统，形成局部pdn。

5.根据权利要求4所述的一种面向集成化芯片系统的供电结构，其特征在于，在所述rdl层顶部所述的金属层上设置有若干导电衬垫，所述导电衬垫用于承载设置于所述电源管理系统下方的所述互连件，并构成电气连接。

6.根据权利要求1所述的一种面向集成化芯片系统的供电结构，其特征在于，所述互连件为微凸块，所述微凸块为铜柱、焊球、可控坍塌芯片连接结构中的一种或多种的组合。

7.根据权利要求1所述的一种面向集成化芯片系统的供电结构，其特征在于，所述集成化芯片系统指尺寸大于3.3cm×2.6cm的逻辑芯片，或者是由多个封装在同一基板上的所述逻辑芯片组成的芯片集合。

8.根据权利要求1所述的一种面向集成化芯片系统的供电结构，其特征在于，所述基板层为玻璃基板、或陶瓷基板、或绝缘复合层。

9.根据权利要求1所述的一种面向集成化芯片系统的供电结构，其特征在于，所述rdl层中的所述金属层的层数至少为两层，所述绝缘介质层的层数至少为一层，且所述rdl层的顶部和底部必须为所述金属层。

10.根据权利要求9所述的一种面向集成化芯片系统的供电结构，其特征在于，所述绝缘介质的材料包括但不限于聚酰亚胺、二氧化硅。

技术总结
本发明涉及半导体技术领域，具体是一种面向集成化芯片系统的供电结构，包括电源管理系统、中介层和集成化芯片系统，所述中介层包括基板层、RDL层和可垂直贯穿所述中介层的垂直连接结构，所述垂直连接结构的上下两端分别设置有互连件，所述电源管理系统通过所述互连件与所述垂直连接结构的上端连接，所述集成化芯片系统通过所述互连件与所述垂直连接结构的下端连接。本结构通过2.5D中介层技术能够实现电源管理系统与集成化芯片系统的高密度互连，满足了集成化芯片系统对供电电压的需求，并且能够实现封装体积小、电信号传输质量高的效果。

技术研发人员：邹卓,唐懿雯,曹程伟,郑立荣
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12