技術(shù)資訊 | 2.5D 與 3D 封裝

耀創(chuàng)深圳

本文要點(diǎn)
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(jì)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(zhǎng)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)，使它們成為半導(dǎo)體制造商和設(shè)計(jì)人員的重要選擇。

接下來(lái)，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(guò)渡技術(shù)。在 2.5D 封裝中，多個(gè)半導(dǎo)體裸片（通常采用不同的工藝節(jié)點(diǎn)）并排放置在硅基板上。硅基板充當(dāng)橋梁，連接各個(gè)裸片并提供高速通信接口。在單個(gè)封裝上組合不同的功能時(shí)，這種布局可帶來(lái)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(guò) 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(jìn)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(duì)引腳密度要求較高的場(chǎng)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(diǎn)

增強(qiáng)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(gè)封裝上。這種接近性可縮短互連長(zhǎng)度，從而提高信號(hào)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。
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2.5D 封裝的應(yīng)用

2.5D 封裝已廣泛應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)，包括高性能計(jì)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。


2.5D 和 3D 封裝技術(shù)都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和用途。



了解 3D 封裝



3D 封裝通過(guò)將多個(gè)半導(dǎo)體裸片堆疊在一起來(lái)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(qiáng)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(jìn)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(jì)、制造以及最終的良率和測(cè)試過(guò)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(lái)滿足不同的需求。有“真正的 3D”封裝，其中晶圓錯(cuò)綜復(fù)雜地堆疊在一起，以實(shí)現(xiàn)最大程度的集成。還有另一類 “3D 系統(tǒng)級(jí)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(jí)封裝（System-in-Package，SiP）”，接觸間距約為 700 微米，包括扇出型晶圓級(jí)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(diǎn)

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(shí)現(xiàn)高效散熱，解決與高性能計(jì)算相關(guān)的散熱難題。
縮短互連長(zhǎng)度：相比 2.5D封裝，3D 封裝進(jìn)一步縮短了互連長(zhǎng)度，從而最大限度地減少信號(hào)延遲和功耗。
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3D 封裝技術(shù)的一大顯著優(yōu)勢(shì)在于縮短了連接距離。在堆疊的 3D 結(jié)構(gòu)中，各個(gè)器件之間的距離約為 2D 結(jié)構(gòu)中各個(gè)器件之間距離的 70%。縮短距離會(huì)直接影響系統(tǒng)布線部分的功耗，因?yàn)樗鼤?huì)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(duì)性能和小型化要求極高的應(yīng)用中，3D 封裝越來(lái)越受歡迎。該封裝技術(shù)通常用于先進(jìn)的內(nèi)存技術(shù)，例如高帶寬存儲(chǔ)器（High Bandwidth Memory，HBM）和高端智能手機(jī)、游戲機(jī)和專用計(jì)算的先進(jìn)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(shì)，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(guò)渡到更先進(jìn)的技術(shù)時(shí)，我們通常會(huì)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(jì) 3D 封裝將在各個(gè)領(lǐng)域變得日益普及。3D 封裝不會(huì)取代 2.5D 封裝，而是對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充。未來(lái)，我們可能會(huì)看到這樣一個(gè)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(lái)顯著優(yōu)勢(shì)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(wú)法在不大幅犧牲功耗或性能的情況下實(shí)現(xiàn)大量的裸片到裸片互聯(lián)。



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