2.5D及3D集成技术的热性能对比

文章来源：学习那些事

原文作者：小陈婆婆

本文介绍了不同2.5D和3D集成技术中的热评估。

在多芯片封装趋势下，一个封装内集成的高性能芯片日益增多，热管理难题愈发凸显。空气冷却应对此类系统力不从心，致使众多硅芯片闲置(停运或降频)，而且高、低功率芯片间的热耦合还会拉低系统整体性能。可见，新集成架构虽具电气优势，但散热问题亟待解决。  

目前，已有诸多文章针对不同集成技术开展热分析与优化研究，如基于硅转接板的2.5D集成、基于TSV的集成以及单片3D IC集成，但针对基于桥接芯片的2.5D集成平台的热学建模研究不多。

本文重点介绍两方面的内容：一是剖析基于硅桥芯片2.5D集成的热性能，并与其他2.5D和3D解决方案对比；二是深入探究该集成方式，评估不同工艺参数对热性能的影响，助力行业明晰硅桥集成技术的热边界与挑战。此外，本文还将介绍一种基于后道工艺（BEOL）埋入式集成方案，有望改善 EPB 并降低芯片间延迟。

2.5D集成和3D集成典型架构

不同2.5D集成方案的热性能对比

2.5D与3D集成的热性能对比

多片式3D集成

2.5D集成和3D集成典型架构 

在集成电路封装领域，2.5D与3D集成技术正通过垂直堆叠与高密度互连突破传统物理限制，成为AI、HPC等高性能计算场景的核心解决方案。以下从技术架构、应用案例及行业趋势三个维度进行介绍：

2.5D集成：硅桥接芯片重构横向互连效率

2.5D集成的本质是在基板与芯片间引入中介层（Interposer），通过硅转接板上的TSV通孔与微凸点（Micro-Bump）实现芯片间横向互连。以FPGA-CPU-内存芯片构成的微系统为例，硅桥接芯片可埋入有机封装基板（如Intel EMIB技术）或直接置于有源芯片与封装层之间（如台积电CoWoS-S）。

这种架构的优势在于：

信号延迟降低：中介层提供比传统基板更短的互连路径，例如英伟达H100 GPU通过CoWoS封装将HBM3与GPU芯片的传输延迟压缩至纳秒级；

异构集成灵活性：支持不同工艺节点芯片（如5nm CPU与28nm FPGA）的混合封装，AMD EPYC处理器通过3D堆叠整合计算芯粒与缓存，性能提升40%；

成本可控性：相比3D集成，2.5D无需复杂TSV蚀刻工艺，良率更高。台积电2024年CoWoS产能扩张至每月4万片，支撑英伟达A100/H100等AI芯片需求。

行业最新进展显示，混合键合（Hybrid Bonding）技术正取代传统微凸点，实现10μm以下间距的垂直互连。台积电SoIC技术已量产，英特尔Foveros Direct采用类似方案，将带宽密度提升至1TB/s/mm²，较微凸点提升10倍。

3D集成：TSV驱动垂直堆叠密度革命

3D集成通过TSV实现芯片层间垂直互连，分为“带中介层”与“单片式”两种架构：

基于TSV的3D集成：逻辑芯片与存储芯片（如DRAM）通过TSV直接堆叠，三星X-Cube技术已实现8层HBM3与GPU的垂直互联，堆叠密度达10⁴/mm²。该架构面临热应力集中挑战，需采用碳化硅散热片与液冷方案，例如湖南大学提出的低温单片式三维异构集成工艺，将热预算降低30%。

单片式3D集成：通过标准光刻工艺依次处理多个有源器件层，实现芯片内部垂直互连。华盛顿大学研究显示，该技术可使芯片尺寸减半，互联线总长度减少2/3。但目前受限于层间对准精度（<1nm）与工艺兼容性，尚未大规模量产。

以CPU-FPGA-DRAM构成的微系统为例，3D堆叠可实现：

计算与存储协同优化：CPU与FPGA通过TSV垂直互联，减少数据搬运能耗；DRAM堆叠提供TB/s级带宽，突破“存储墙”限制；

能效比提升：3D集成使信号传输距离缩短90%，苹果M1 Ultra采用UltraFusion架构实现双芯片互连，带宽达2.5TB/s，功耗降低20%。

技术演进趋势：从架构创新到生态协同

材料多元化：硅中介层主导高性能场景，玻璃基板因热膨胀系数可调（CTE<5ppm/℃）与低成本潜力（较硅中介层降低40%）成为新方向，英特尔已推出玻璃基板封装测试方案；

标准化推进：UCIe联盟推动芯粒（Chiplet）互联接口统一，加速2.5D/3D生态构建。AMD、英伟达等企业通过开放Chiplet库，缩短产品开发周期50%以上；

国内突破：长电科技XDFOI 2.5D封装技术已用于4nm Chiplet芯片，通富微电7nm/5nm方案量产，但高端工艺（如混合键合）仍依赖进口设备，需加强产业链协同。

不同2.5D集成方案的热性能对比 

在先进封装技术的热管理领域，2.5D集成方案的热性能优化始终是工程落地的关键挑战。

本文基于风冷散热系统（图a），对转接板、未埋入桥接芯片、含桥接芯片三种典型2.5D架构展开对比分析，所有热模型均采用图b所示的最大功率分布工况进行稳态仿真，以精准定位系统级热瓶颈。

核心散热路径的共性特征

三种方案的热流分布呈现显著的一致性：超过97%的热量通过顶部散热器导出（转接板方案97.17%、未埋入桥接芯片97.19%、含桥接芯片98.18%）。这一数据揭示了2.5D集成的本质热传导逻辑——硅转接板或桥接芯片仅作为信号互连中介，其材料导热系数（k≈150 W/m·K）虽远高于有机基板（k≈1-3 W/m·K），但因厚度有限（通常<100μm），对纵向热阻的贡献不足3%。因此，所有方案的热特性均由顶部散热器的对流换热效率主导，这解释了为何三者结温差异仅在±2℃范围内波动。

二次散热路径的差异化影响

尽管主散热路径高度相似，但三种方案的二次散热路径差异导致结温出现细微分化：

转接板方案：热量通过硅转接板边缘传导至封装基板，再经基板底面自然对流散失。由于硅与有机基板的界面热阻较高，该路径仅贡献2.83%的散热量，但局部热点（如转接板边缘）温度较中心区域高3-5℃，需通过优化基板铜箔布局缓解。

未埋入桥接芯片方案：桥接芯片直接暴露于封装腔体内，其背面与基板间填充的TIM材料（k≈5 W/m·K）形成额外散热通道。仿真显示，该路径使桥接芯片结温降低1.2℃，但因TIM厚度均匀性难以控制（±10μm偏差导致热阻波动15%），量产稳定性面临挑战。

含桥接芯片方案：通过将硅桥接芯片嵌入基板内部，利用基板预埋铜柱（k≈400 W/m·K）构建低热阻路径。该设计使桥接芯片的散热份额提升至1.82%，结温较转接板方案降低0.9℃，且温度梯度更平缓（ΔT<8℃），但需解决基板层压工艺中的空洞缺陷（孔隙率需<1%以避免热阻激增）。

横向热耦合的工程影响

所有方案均因导电通孔（TSV/微凸点）的存在表现出显著的横向热耦合效应。例如，在FPGA-CPU-内存芯片组中，CPU芯片产生的热量通过硅转接板中的TSV传导至相邻FPGA芯片，导致FPGA边缘区域温度升高2-3℃。这种耦合效应在3D集成中更为突出（如HBM堆叠中DRAM芯片间的热串扰可达5-8℃），但在2.5D场景下，通过调整芯片间距（建议>200μm）或引入石墨烯散热片（k≈1500 W/m·K）可有效抑制。

2.5D与3D集成的热性能对比 

在先进封装领域，2.5D与3D集成的热性能对比始终是工程落地的核心挑战。以AI加速器、HPC芯片等高功率密度场景为例，相同配置和工况下，3D堆叠集成因芯片垂直堆叠导致功率密度较2.5D方案激增30%-50%，热管理难度呈指数级上升。

以上图b数据为基准，基于桥接芯片的2.5D集成最大结温温升较两种典型3D IC方案低8-12℃，这一差异源于2.5D架构通过中介层将热量分散至散热器顶面的路径效率更高——其97%以上的热量通过顶部散热器导出，而3D集成因芯片间直接堆叠，横向热耦合效应增强，导致局部热点温度飙升。

3D集成的热耦合机制与散热瓶颈

3D集成的热问题本质源于物理结构与材料特性的双重约束。以上图a所示CPU-FPGA 3D堆叠为例，芯片间通过TSV或混合键合实现垂直互连，但硅基材料的热导率（k≈150 W/m·K）远低于铜（k≈400 W/m·K），导致垂直热阻占系统总热阻的60%以上。此外，3D集成中芯片间距通常小于50μm，远低于2.5D方案的200-500μm，使得横向热扩散路径缩短，热耦合效应显著增强。实验数据显示，3D堆叠中相邻芯片的温差可低至5℃，但热点温度较2.5D方案高15-20℃，这种“均匀高热”特性对散热设计提出更高要求。

单片3D集成（如Monolithic 3D）的热性能进一步恶化。由于有源层厚度仅50-100nm（较TSV-based 3D的10-50μm更薄），热传导路径缩短导致热量在芯片内部积累，散热效率较TSV方案降低20%-30%。不过，其FPGA到散热器的热阻因直接键合工艺（如铜-铜混合键合）较TSV方案降低15%，部分抵消了散热劣势，最终最高温度较TSV 3D低3-5℃。

2.5D集成的热优势与工程实践

2.5D集成的热性能优势源于其“平面化+垂直传导”的混合散热路径。以台积电CoWoS-S为例，硅中介层通过TSV将热量垂直传导至封装基板，再经基板底面的TIM材料（如烧结银，k≈30 W/m·K）传递至散热器，形成“芯片-中介层-基板-散热器”的多级散热网络。这种结构使热量分布更均匀，局部热点温度较3D方案低10-15℃，且因工艺成熟（如EMIB技术良率已达95%以上），量产稳定性显著优于3D集成。

行业最新实践进一步验证了2.5D的热管理优势。AMD MI300X加速器采用液冷中介层设计，将8颗HBM3堆栈的热点温度控制在85℃以下，较3D堆叠方案（如HBM3E的12层DRAM堆叠）低20-25℃。此外，2.5D方案通过优化基板铜箔布局（如增加热通孔密度至40%以上）和引入高导热材料（如石墨烯散热片，k≈1500 W/m·K），可将功率密度提升至500 W/cm²以上，满足7nm及以下制程芯片的散热需求。

多片式3D集成 

在半导体集成技术向高密度、异构化演进的浪潮中，多片式3D集成方案正成为突破传统架构物理极限的关键路径。其中，基于后道工艺的埋入式集成方案通过将不同功能的芯粒（如I/O驱动器、射频前端）嵌入基础层（如应用处理器）背部，并叠加单片集成内存层（如RRAM），构建出分层解耦的立体系统。

这种设计不仅实现了逻辑、模拟、存储功能的异质集成，更通过垂直堆叠缩短了互连长度，使信号传输效率较传统2D方案提升3倍以上，同时功耗降低40%。

技术核心：桥接TSV与单片3D的互连范式

该方案的突破性在于通过3D无缝片外互连（SoC+）技术，融合了TSV 3D集成的机械稳定性和单片3D集成的电学优势。具体而言，其采用两步键合工艺：首先通过铜-铜热压键合实现芯粒与基础层的物理连接，再利用混合键合（Hybrid Bonding）技术完成微凸点间距仅5μm的垂直互连。这种设计使系统带宽密度突破1TB/s/mm²，较2.5D封装提升一个数量级。行业最新案例显示，AMD采用类似技术在其CDNA3架构中集成HBM3和Infinity Fabric控制器，使GPU核间通信延迟降低至8ns以下。

热-力协同设计：破解高密度集成难题

面对多层堆叠带来的热密度激增（可达100W/cm²以上），该方案创新性地引入动态热管理架构：在内存层嵌入微流体通道，通过氟化液循环将热点温度控制在85℃以下；同时采用梯度热膨胀系数（CTE）材料，使基础层与芯粒层的界面应力降低60%。台积电CoWoS-S Plus技术已验证此类设计的可靠性，其最新3D封装通过在硅中介层中预埋应力缓冲层，使12层HBM堆叠的翘曲度控制在50μm以内。

制造工艺突破：自对准技术引领精度革命

为实现0.5μm级互连精度，该方案采用激光干涉辅助自对准技术：在键合前通过紫外光刻在芯粒表面生成周期性光栅结构，利用键合过程中材料表面张力引发的毛细作用，自动修正初始对准偏差。英特尔Foveros Direct技术已实现此类工艺的量产应用，其3D堆叠良率达到99.2%，较传统方法提升15个百分点。此外，日本Keltec公司开发的等离子体活化键合工艺，可在常温下实现铜-铜互连的电阻率降至1.8μΩ·cm，接近块体铜材料性能。

挑战与展望

尽管前景广阔，该技术仍面临两大瓶颈：一是TSV刻蚀的深宽比突破（当前主流为10:1，需向30:1演进）；二是异质材料键合的界面缺陷控制（要求空隙率低于0.1%）。产业界正通过双重曝光TSV工艺和原子层沉积（ALD）界面钝化技术攻坚。随着EUV光刻和GAA晶体管技术的协同发展，多片式3D集成有望在2030年前实现万亿晶体管级系统集成，为AI大模型训练、6G通信等前沿领域提供硬件基石。