什么是3D封装？3D封装是如何工作的？

1 为什么需要3D封装

随着数字时代流量的爆炸式增长，光纤通信成为高速信息传输的关键。光纤通信就像高速公路系统，光模块是公路上的货车，信息是货车上的货物。货车（即光模块）需要不断升级才能跑得更快、更稳，更有效传输“信息”货物。  

光模块升级有两个关键点：

一是速度要快，就像货车要换上更大马力的引擎。目前光网络的传输速率正从100G/200G向更高速的400G/800G快速发展。

二是体积要小且性能优，这就好比货车的设计要更紧凑、更小巧，但是耗油量等性能需要更优。

由于光模块的空间有限，就像货车内部空间有限一样，需要将更多的功能集成到更小的空间里。

为了实现这一目标，3D封装（Three-dimension Packaging，三维封装技术）技术应运而生。

这就好比是在货车内部进行巧妙的设计和布局，让所有的零部件都能恰到好处地放置在合适的位置上，而且能保证货车装载容量大且油耗小等优点。

3D封装技术引入到光模块中，能让光模块保持小巧身形，实现高速数据传输，稳定发挥高性能，轻松顺应未来发展趋势。

2 什么是3D封装

3D封装是一种芯片封装技术，广泛用于电子信息行业各类芯片制造领域，本文聚焦光模块领域。芯片是实现电子设备核心功能的基础单元。

所谓封装就是用“保护盒”，密封组成复杂功能的多块芯片，保护芯片不受外界环境的影响。

3D封装指在封装（即“保护盒”）内，通过将多块芯片在垂直方向上叠放并互连，多块芯片叠放成三维结构，实现更高的集成度和更短的互联距离的封装技术。

在光模块领域中，3D封装指在封装（即“保护盒”）内，将组成光模块的各种芯片在垂直方向叠放两个及其以上芯片，从而使光模块具有更小体积、更优性能的技术。

3 3D封装是如何工作的

典型的3D封装光模块过程是将电芯片、光芯片垂直叠放在基板上，两者间采用TSV（Through Silicon Via，硅通孔）互联技术实现通信，如下图所示。

这个过程好比建设摩天大楼，房间（即芯片）是在地面（即基板）一层层垂直建设在一起的。

基板是光芯片和电芯片的电气连接平台。基板通常由一块或多块导电层组成，导电层被沉积在基板的衬底材料（如硅、陶瓷或玻璃）上。

所有叠放在一起的芯片被整合到一块基板上，由基板上的导电层实现芯片与外部电路的电气互联。微焊球实现芯片间电气连接。焊球实现基板与封装体外部器件电气连接。

多层叠放的芯片之间还需要互联，才能实现彼此之间的高速通信。常见的互联技术如TSV，通过在芯片上制造垂直通孔，并填充铜或钨等导电材料实现芯片间的垂直通信，如下图所示。

好比在摩天大楼布放电线过程，不同楼层之间先穿孔、再铺设布线管、最后布放电线实现楼层间通电。

通过TSV技术，可缩短芯片之间连线长度至芯片厚度，有效减少信号传输延迟和损失，提高信号速度和带宽，以此实现光通信模块更低的功耗、更小的体积和更快的传输速率。

4 3D封装与2D/2.5D封装有什么不同

2D封装属于传统封装技术，2.5D和3D封装都属于先进封装技术。

2D封装：是平面化组装，好比建造平房，如下图所示。在2D封装中，所有芯片平铺在基板上，芯片之间需要通过金属线连接，封装尺寸比较大。

2.5D封装：2.5D封装在2D封装基础上增加了一层阁楼（即中介层），类似建设二层小洋楼，一层楼阁仅用于走水电管，二层才平铺建设房间（即芯片）。

在2.5D封装中，多块芯片仍然是水平布置在同一块基板上，并通过中介层连接在一起，如下图所示。

2.5D封装利用中介层、连接线实现芯片间更短的信号传输距离和更低的电阻，因此相比2D封装具有好的散热性能和更高的带宽、更小的封装尺寸。

3D封装：3D封装好比建设摩天大楼，合理利用了封装内的垂直方向空间，通过TSV等垂直互联技术，实现更短互联距离和更小封装尺寸。

综上所述，2D、2.5D和3D封装主要异同参见下表。

项目	2D封装	2.5D封装	3D封装
芯片排列	平铺在基板上	在中介层上并排	垂直堆叠在基板上
互联长度	最长	较长	最短
封装尺寸	最大	较大	最小
功耗	最大	较大	最小

5 3D封装有哪些应用场景

3D封装在光模块中的应用正逐渐走向成熟，主要应用于以下场景。

数据中心高速互连：数据中心互连采用的400G/800G光模块，通过3D封装将光芯片、电芯片分层集成，使1U机架内模块密度提升2倍，同时缩短电光路径降低约30%信号损耗。

5G/6G网络应用：在前传微型化中，25G灰光模块采用3D封装技术，实现超薄设计（厚度<5 mm），通过TSV技术实现光电芯片垂直互联，满足基站严格的体积与散热要求。

总之，3D封装在芯片体积、性能和功耗等方面的显著提升，引领行业进入了一个新的时代。

根据知名产业分析机构YoleDéveloppement（Yole）预测，2025年先进封装占全球封装市场份额将接近50%。在先进封装市场中，2.5D/3D封装增速最快，2021年~2027年CAGR（年均复合增长率，Growth Rate）达14.34%。

英特尔已实现3D先进封装技术的大规模量产，在处理器的制造过程中，不仅能够以垂直而非水平方式堆叠计算模块，而且能够集成不同的计算芯片，优化成本和能效。