一文理解2.5D和3D封装技术

随着半导体行业的快速发展，先进封装技术成为了提升芯片性能和功能密度的关键。近年来，作为2.5D和3D封装技术之间的一种结合方案，3.5D封装技术逐渐走向前台。

什么是3.5D封装技术

3.5D封装技术最简单的理解就是3D+2.5D，通过将逻辑芯片堆叠并将它们分别粘合到其他组件共享的基板上，创造了一种新的架构。能够缩短信号传输的距离，大幅提升处理速度，这对于人工智能和大数据应用尤为重要。

不过，既然有了全新的名称，必然要带有新的技术加持 —— 混合键和技术（Hybrid Bonding）。混合键合技术的应用为3.5D封装带来了新的可能性，是一种在相互堆叠的芯片之间获得更密集互连的方法。

混合键合技术加持的3D TSV的直接互连

通过混合键合，可以在更小的空间内实现更多的连接，从而提高封装的密度和性能。下图是传统凸点和混合键合技术的结构比较：传统凸点间距是50微米，每平方毫米有大约400个连接；混合键和大约10微米的间距，可达到每平方毫米10000个连接。

传统凸点和混合键合技术的结构比较

混合键合解决了另一个棘手的问题，即数千个微凸块之间的共面性，而制造传统键合产品很难以合理的产量满足这一要求。混合键合技术应用于3D TSV的直接互连，省却了凸点，其界面互连间距可小于10um甚至1um，其互连密度则可达到每平方毫米10000~1000000个点。这是传统的凸点互连远远无法达到的，因此，在高密度的3D互连中，凸点最终会消失。

另外，SRAM作为处理器缓存的首选，通过3.5D封装技术可以在不增加物理面积的情况下实现更多内存的集成。SRAM不一定必须与处理器的先进节点处于同一节点，这也有助于提高产量和可靠性。

在最近的三星代工活动中，该公司代工业务开发副总裁Taejoong Song展示了3.5D配置的路线图，将使用2nm芯片堆叠在4nm芯片上，2027年将使用1.4nm芯片堆叠在2nm芯片上。

英特尔代工厂的方法在很多方面都很相似。英特尔高级副总裁兼代工服务总经理Kevin O'Buckley表示：“我们的3.5D技术是在带有硅桥的基板上实现的。这不是成本极高、产量低、多掩模版形状的硅，甚至不是RDL。我们以更具成本效益的方式使用薄硅片，通过硅桥实现芯片到芯片的连接，甚至是堆叠芯片到芯片的连接。因此，您可以获得相同的硅密度优势，以及该硅桥的相同SI（信号完整性）性能，而无需在整个硅桥下方放置巨大的单片中介层，这既成本高昂又限制了容量。它正在发挥作用。它正在实验室中运行。”

3.5D封装技术的挑战

虽然当前的技术已经能够实现较为稳定的3.5D封装，但在大规模生产和应用中，仍需要进一步降低成本和提高良率，工艺的复杂性和制造成本是制约其大规模应用的主要因素。其次，3.5D封装的可靠性和长期稳定性也需要进一步验证，特别是在高温和高压环境下的应用场景中。

除此之外，散热可能是最难解决的问题：工作负载可能会有很大差异，从而产生动态热梯度并将热量困在意想不到的地方，从而缩短芯片的使用寿命和可靠性。

理解2.5D和3D封装技术

一直以来，提升芯片性能主要依靠先进制程的突破。但现在，人工智能对算力的需求，将芯片封装技术的重要性提升至前所未有的高度。为了提升AI芯片的集成度和性能，高级封装技术如2.5D/3D封装和Chiplet等得到了广泛应用。

根据研究机构的调研，到2028年，2.5D及3D封装将成为仅次于晶圆级封装的第二大先进封装形式。这一技术不仅能够提高芯片的性能和集成度，还能有效降低功耗，为AI和高性能计算等领域提供强有力的支持。

· 2.5D封装技术

2008年，赛灵思将其大型FPGA划分为四个良率更高的较小芯片，并将这些芯片连接到硅中介层，2.5D封装由此诞生。2.5D封装技术是一种介于传统2D封装和3D封装之间的过渡技术，通过在硅中介层（Silicon Interposer）上集成多个裸芯片（Bare Die），实现了芯片之间的高速互连和短距离通信。硅中介层通常采用硅通孔（Through-Silicon Via，TSV）技术实现垂直互连，具有高密度、高性能的互连特性，可以大大提高系统的整体性能。

2.5D封装的整体结构

· 3D封装技术

3D封装是指在不改变封装体尺寸的前提下，在同一个封装体内于垂直方向叠放两个以上芯片的封装技术，它起源于快闪存储器（NOR/NAND）及SDRAM的叠层封装。但是要注意的是，3D封装不一定要用到TSV技术，通过引线键合（Wire Bonding）的方式连接且在空间上进行芯片堆叠并封装都能成为3D封装。

3D封装的整体结构

The Business Research Company近日发布了3D IC和2.5D IC封装市场研究报告，预计未来几年，3D IC和2.5D IC封装市场规模将快速增长：将从2023年的486亿美元增长到2024年的543.9亿美元，复合年增长率（CAGR）为 11.9%，到2028年，市场规模将达到816.7亿美元，CAGR为10.7%。预测期内的增长可归因于可穿戴和便携式设备的出现、能效需求的增长、高性能计算需求的上升、向片上系统设计的转变、半导体器件复杂性的增加以及物联网的普及。

另外，据市场分析机构Global Market Insights Inc.数据，2023年3D半导体封装市场价值94亿美元，预计2024年至2032年期间的CAGR将超过18%。

2.5D和3D封装技术的区别

2.5D可以看两块积木在二维尺度是无法拼接在一起的，需要一个中介放在两块积木之下，且可以同时对两块积木进行连接；3D就直接积木与积木垂直（其实也不一定）的堆叠在一起，而积木就是一个个芯片。2.5D封装是利用导电凸块或TSV将组件堆栈在中介层上，3D IC封装则将多层硅晶圆与采用TSV的组件连接在一起。

3D封装中逻辑裸晶堆栈在一起或与储存裸晶堆栈在一起，无需建构大型的系统单芯片。3D封装技术在垂直方向上实现了更高的集成度，而2.5D封装技术则通过硅中介层实现了水平方向上的高密度互连。

先进封装中的关键技术

引线键合（Wire Bonding）：采用直接穿过有源电路的多层互连结构，同时通过采用3D架构，可以将芯片折叠到它自己的上面，减小了互连线长度。这样不仅会极大地提高电路性能，还会极大地降低电路的功耗。

硅通孔技术（Through Silicon Via，TSV)：通过在硅片上打孔并填充导电材料实现了芯片之间的垂直电气连接，可以完成连通上下层晶圆或芯片的功能，在更小的面积上大幅提升芯片性能并增加芯片功能。这种连接方式具有低电阻、低电容和低电感的特点，可以显著提高信号传输的速度和稳定性。TSV用途大致分为三种：背面连接（应用于CIS等）、2.5D封装（TSV在硅中介层）、3D封装（TSV位于有源晶粒中，用于实现芯片堆叠）。

中介层（Interposers）：中介层是封装中多芯片裸晶或电路板传递电信号的管道，是插口或接头之间的电接口，可以将信号传播更远，也可以连接到板子上的其他插口。中介层可以由硅和有机材料制成，充当多颗裸晶和电路板之间的桥梁。硅中介层是一种经过验证的技术，具有较高的细间距I/O密度和TSV形成能力，在2.5D和3D IC芯片封装中扮演着关键角色。

2D封装加上Interposer后就变成了2.5D，那么3D封装加上Interposer自然就变成了3.5D，既合情合理，又符合了通用的命名法则。

重分布层：重分布层包含铜连接线或走线，用于实现封装各个部分之间的电气连接。它是金属或高分子介电材料层，裸晶可以堆栈在封装中，从而缩小大芯片组的I/O间距。重分布层已成为2.5D和3D封装解决方案中不可或缺的一部分，使其上的芯片可以利用中介层相互进行通讯。

高带宽内存（High Bandwidth Memory，HBM）：是一种用于3D堆叠同步动态随机存取内存的高速计算机内存接口，最初由三星、AMD和SK Hynix开发，是将很多个DDR芯片堆叠在一起后和GPU封装在一起，实现大容量。在堆叠内，芯片通过TSV和微凸块垂直互连。