技術(shù)資訊 | 2.5D 與 3D 封裝

本文要點

在提升電子設(shè)備性能方面，2.5D 和 3D 半導(dǎo)體封裝技術(shù)至關(guān)重要。這兩種解決方案都在不同程度提高了性能、減小了尺寸并提高了能效。

2.5D 封裝有利于組合各種器件并減小占用空間，適合高性能計算和 AI 加速器中的應(yīng)用。

3D 封裝提供了出色的集成度，高效的散熱和更短的互連長度，是高性能應(yīng)用的理想之選。

在快速發(fā)展的半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，封裝在很大程度上決定了電子設(shè)備的性能、尺寸和能效。2.5D 和 3D 封裝技術(shù)備受關(guān)注，現(xiàn)已成為主要的封裝解決方案。每種技術(shù)都有其獨特的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，使它們成為半導(dǎo)體制造商和設(shè)計人員的重要選擇。

接下來，我們將探討 2.5D 和 3D 封裝的差異和應(yīng)用，以及它們?nèi)绾螐氐赘淖儼雽?dǎo)體格局。

了解 2.5D 封裝

2.5D 封裝，也稱為 2.5D 中介層技術(shù)，是一種介于傳統(tǒng) 2D 封裝和真正的全 3D 封裝之間的過渡技術(shù)。在 2.5D 封裝中，多個半導(dǎo)體裸片（通常采用不同的工藝節(jié)點）并排放置在硅基板上。硅基板充當(dāng)橋梁，連接各個裸片并提供高速通信接口。在單個封裝上組合不同的功能時，這種布局可帶來更大的靈活性。

當(dāng)下最流行的 2.5D 集成技術(shù)涉及到硅基板與 TSV 的結(jié)合。在此配置中，芯片通常通過 MicroBump 技術(shù)和中介層相連接，作為中介層的硅基板采用 Bump 和基板相連。硅基板的表面使用再分布層（RDL）布線進行互連，而 TSV 則充當(dāng)硅基板上下表面之間電氣連接的通道。

這種 2.5D 集成技術(shù)非常適合芯片尺寸較大且對引腳密度要求較高的場景，芯片通常以 FlipChip 的形式安裝在硅基板上。

2.5D 封裝的優(yōu)點

增強性能：2.5D 封裝可將處理器、內(nèi)存和傳感器等各種器件集成在單個封裝上。這種接近性可縮短互連長度，從而提高信號完整性并降低延遲。

縮小尺寸：2.5D 封裝在中介層上堆疊裸片，（與 2D 封裝相比）減少了整體占地面積，是更小、更薄設(shè)備的理想選擇。

提高能效：2.5D 封裝具有更短的互連和優(yōu)化的芯片布局，可降低功耗，因此適用于電池供電設(shè)備。

2.5D 封裝的應(yīng)用

2.5D 封裝已廣泛應(yīng)用于多個行業(yè)，包括高性能計算、數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。它特別適合人工智能 (AI) 加速器，其中多種類型的芯片需要高效地協(xié)同工作。

了解 3D 封裝

3D 封裝通過將多個半導(dǎo)體裸片堆疊在一起來創(chuàng)建三維結(jié)構(gòu)，從而將集成度提升到新的水平。這種方法增強了封裝的整體性能和功能，互連線更短且封裝尺寸更小。然而，隨著芯片進入真正的 3D-IC 領(lǐng)域（其中邏輯或內(nèi)存芯片相互堆疊），它們的設(shè)計、制造以及最終的良率和測試過程變得更加復(fù)雜且更有挑戰(zhàn)性。

3D 封裝領(lǐng)域提供了多種方法來滿足不同的需求。有“真正的 3D”封裝，其中晶圓錯綜復(fù)雜地堆疊在一起，以實現(xiàn)最大程度的集成。還有另一類 “3D 系統(tǒng)級芯片（System-on-Chip，SoC）集成”，可能涉及背面配電層或內(nèi)存晶圓彼此堆疊等特征。最后一種是 “3D 系統(tǒng)級封裝（System-in-Package，SiP）”，接觸間距約為 700 微米，包括扇出型晶圓級封裝。

這些方法都解決了 3D 封裝領(lǐng)域特定的技術(shù)需求和挑戰(zhàn)。

3D 封裝的優(yōu)點

出色的集成度：3D 封裝允許以更為緊湊的方式集成各種器件和功能，從而以緊湊的外形尺寸創(chuàng)建高度復(fù)雜的系統(tǒng)。

更好的散熱：裸片在 3D 封裝中垂直排列，因此可實現(xiàn)高效散熱，解決與高性能計算相關(guān)的散熱難題。

縮短互連長度：相比 2.5D封裝，3D 封裝進一步縮短了互連長度，從而最大限度地減少信號延遲和功耗。

3D 封裝技術(shù)的一大顯著優(yōu)勢在于縮短了連接距離。在堆疊的 3D 結(jié)構(gòu)中，各個器件之間的距離約為 2D 結(jié)構(gòu)中各個器件之間距離的 70%?？s短距離會直接影響系統(tǒng)布線部分的功耗，因為它會導(dǎo)致電容減小。因此，3D 封裝的功耗大約是 2D 封裝的 70%。

3D 封裝的應(yīng)用

在對性能和小型化要求極高的應(yīng)用中，3D 封裝越來越受歡迎。該封裝技術(shù)通常用于先進的內(nèi)存技術(shù)，例如高帶寬存儲器（High Bandwidth Memory，HBM）和高端智能手機、游戲機和專用計算的先進處理器。

2.5D 和 3D 封裝的比較

2.5D IC 與 3D IC 封裝：比較表

雖然 2.5D 和 3D 封裝都具有顯著的優(yōu)勢，但它們并不互相排斥，其適用性取決于應(yīng)用的具體要求。2.5D 封裝是邁向 3D 封裝的重要階梯，可在性能和復(fù)雜性之間找到完美平衡。當(dāng)需要中等程度的集成或從傳統(tǒng) 2D 封裝過渡到更先進的技術(shù)時，我們通常會選擇 2.5D 封裝。

另一方面，3D 封裝非常適合需要尖端性能、緊湊性和能效的應(yīng)用。如有可能，3D 集成在所有討論的方面都將比 2.5D 更加高效，只是復(fù)雜性有所增加。隨著技術(shù)的成熟，我們預(yù)計 3D 封裝將在各個領(lǐng)域變得日益普及。3D 封裝不會取代 2.5D 封裝，而是對其進行補充。未來，我們可能會看到這樣一個生態(tài)系統(tǒng)：芯?？梢栽?2.5D 封裝中混合搭配，并可與真正的 3D 配置一起用于各種應(yīng)用。

此外，異構(gòu)性在 3D 集成中具有帶來顯著優(yōu)勢的潛力。異構(gòu)技術(shù)架構(gòu)——例如將光子集成電路（IC）與電子 IC 相結(jié)合——可以從 3D 集成中大大獲益。在此類集成中，除 3D 集成之外的其它方式可能無法在不大幅犧牲功耗或性能的情況下實現(xiàn)大量的裸片到裸片互聯(lián)。

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