3D封装架构的分类和定义

文章来源：Tom聊芯片智造

原文作者：芯片智造

本文介绍了3D封装架构的分类、定义、实现和挑战。  

3D封装架构主要分为芯片对芯片集成、封装对封装集成和异构集成三大类，分别采用TSV、TCB和混合键合等先进工艺实现高密度互连。

3D封装架构分类

3D封装架构主要分三大类：芯片对芯片的3D集成、封装对封装的3D集成，还有把封装和芯片堆叠混在一起用的3D异构集成。

芯片对芯片的3D集成

1. 基本概念

芯片对芯片的3D集成，简单来说就是把几颗芯片"堆叠"在一起，并用硅通孔（TSV）和微凸点把它们牢牢连起来。

2. 具体实现

比如：两颗存储芯片先通过TSV和微凸点堆叠在一颗逻辑芯片上；逻辑芯片再通过一级焊点连到基板上；最后用二级焊点把整个3D封装连到印刷电路板（PCB）上。

3. 工艺挑战

传统的2D封装里，用的是"焊料回流"——先涂助焊剂，再贴芯片，然后放到炉子里回流焊接。但到了3D封装时代，这种方法就不太好使了：

3D封装里的芯片和基板都更薄

互连更小更密

一加热就容易翘曲、错位、倾斜、焊接不良、焊料桥连

所以，3D封装需要更先进的工艺来代替传统回流焊。

4. 先进工艺方案

TCB（热压键合）就是最常用的替代方案，它专门用来把3D封装里的微凸点精确焊接到位，避免翘曲和焊接不良。

再往前一步，混合键合（Hybrid Bonding）等新工艺，甚至可以处理小于5微米间距的超密互连，组装温度还低，更适合下一代3D封装的发展。

封装对封装的3D集成

1. 典型配置

系统级封装（SIP）和封装堆叠封装（POP）是封装对封装3D集成的典型配置，通过引线键合或倒装键合把封装堆叠起来。

2. 技术优势

跟芯片堆叠比，封装堆叠技术开发周期短，能更快地把产品推向市场，价格也便宜。

3. 结构描述

如图所示，一个引线键合封装通过倒装键合堆叠在另一个引线键合封装上面，然后这两个封装再堆到一个倒装封装上，形成POP。

异构3D集成

1. 定义与特点

异构3D集成，是指将不同功能、不同工艺节点的芯片堆叠整合在同一个紧凑封装中的封装方式。

2. 应用优势

相比传统的单片芯片（所有功能做在一个Die上），异构3D封装的优势非常明显：

可以让每个小芯片用最合适的制程工艺（比如CPU用先进工艺，模拟部分用成熟工艺）

小芯片面积小，良率更高、成本更低

可以用现成的芯片快速组合出新产品，大大缩短开发周期

整体封装更紧凑，系统级性能更强

3. 实现案例

比如，下面这种异构3D结构

一颗DRAM封装（里面是4颗通过TSV+微凸点堆叠的存储芯片） 再跟一颗倒装的CPU芯片并排组合在一个封装中 封装与封装之间通过多级互连，再通过封装内的一级互连、基板连接，实现整个系统级的高速通信

这样的"芯片堆+封装堆"组合，既高效又灵活。