背面供电

背面供电（backside power delivery，BPD）是一种将电源传输网络从晶圓正面迁移到背面的先进半导体技术。该技术旨在提高每瓦性能、性能和集成电路（IC）设计的灵活性。

 概述 
传统上，电源和信号互连都布置在硅片正面。背面供电将电源互连放在硅片背面，从而在正面为信号互连释放更多空间。功能上的分离可带来更好的电源完整性、降低信号干扰并提升性能。

 发展与采用 

 英特尔的20A工艺节点 

英特尔将其背面供电实现称为PowerVia技术，计划在其20A工艺节点引入。英特尔声称PowerVia可使工作频率提高约6%、功耗损失降低30%，并提高晶体管密度。PowerVia的做法是在硅片正面构建晶体管，同时将电源互连布置在背面。该工艺需要钻设深而窄的硅穿孔（TSV）以将背面电源与正面晶体管连接。英特尔开发了方法以保证这些TSV不会损害芯片的可靠性或热管理。其Blue Sky Creek测试芯片展示了该方法的优势，单元利用率超过90%，并有潜在的成本降低效果。

 台积电的N2和A16节点 

台灣積體電路製造曾考虑在其N2P工艺节点引入背面供电，但因成本和复杂性而决定延后。在N2P中他们转而侧重于如NanoFlex的其他改进，利用更灵活的单元设计优化性能、功耗与面积（PPA）。

台积电的A16工艺节点（拟于2025年推出）整合了Super PowerRail架构与纳米片晶体管。该组合旨在提升计算效率并降低能耗。A16设计可缓解IR降压、简化电源分配并允许更紧凑的封装。台积电称A16相较于N2P可实现约10% 更高的时钟频率或15-20%的功耗下降，并可将芯片密度提高最多约10%。

 技术优势 

 提高电源完整性 

将电源网络移至背面后，晶体管遭遇的电压下降减小。因为背面电源互连可做得更大且电阻更小，从而提供更稳定的电源。这种稳定性使晶体管能以更高频率运行且性能退化风险更低。

 增强信号布线 

电源互连被迁出后，正面有更多信号布线空间。这降低了拥塞和寄生电容，带来更快且更高效的信号传输。信号拥塞的减少还允许逻辑单元更密集地布局，进一步提升芯片性能与效率。

 热管理 
背面供电为带来新的挑战与机会。电源互连的迁移可能导致更高的热密度，需采用创新的散热方案。但同时它也能提供更有效的散热通路，如果管理得当可改善整体热性能。

 挑战 

 设计复杂性 

实现背面供电需要对传统设计方法做重大调整。工程师必须适应考虑背面电源布线的新设计规则与工具，包括确保热管理与机械应力得到适当处理，因为这些因素会影响集成电路的可靠性与性能。

 制造成本 

制造支持背面供电的芯片涉及额外工序，例如制作TSV和处理双面互连的硅片。这些步骤会增加，尽管像英特尔这样的公司通过优化芯片设计的其他方面来抵消部分成本。

 前景 
英特尔计划在后续工艺节点将背面供电与RibbonFET晶体管整合，目标在2024年上半年达到量产准备。台积电虽因成本与复杂性在N2P上延后背面供电，但计划在2025年的 A16 节点引入。三星计划在2027年将背面供电应用于其1.4纳米工艺，重点在于减少晶圆面积占用并改善电力传输。

 参考 

Category:半導體元件製程