2.5D 与 3D 封装

本文要点

• 在提升电子设备性能方面，2.5D 和 3D 半导体封装技术至关重要。这两种解决方案都在不同程度提高了性能、减小了尺寸并提高了能效。

• 2.5D 封装有利于组合各种器件并减小占用空间，适合高性能计算和 AI 加速器中的应用。

• 3D 封装提供了出色的集成度，高效的散热和更短的互连长度，是高性能应用的理想之选。

在快速发展的半导体技术领域，封装在很大程度上决定了电子设备的性能、尺寸和能效。2.5D 和 3D 封装技术备受关注，现已成为主要的封装解决方案。每种技术都有其独特的优势和挑战，使它们成为半导体制造商和设计人员的重要选择。

接下来，我们将探讨 2.5D 和 3D 封装的差异和应用，以及它们如何彻底改变半导体格局。

2.5D 封装，也称为 2.5D 中介层技术，是一种介于传统 2D 封装和真正的全 3D 封装之间的过渡技术。在 2.5D 封装中，多个半导体裸片（通常采用不同的工艺节点）并排放置在硅基板上。硅基板充当桥梁，连接各个裸片并提供高速通信接口。在单个封装上组合不同的功能时，这种布局可带来更大的灵活性。

当下最流行的 2.5D 集成技术涉及到硅基板与 TSV 的结合。在此配置中，芯片通常通过 MicroBump 技术和中介层相连接，作为中介层的硅基板采用 Bump 和基板相连。硅基板的表面使用再分布层（RDL）布线进行互连，而 TSV 则充当硅基板上下表面之间电气连接的通道。

这种 2.5D 集成技术非常适合芯片尺寸较大且对引脚密度要求较高的场景，芯片通常以 FlipChip 的形式安装在硅基板上。

2.5D 封装的优点

• 增强性能：2.5D 封装可将处理器、内存和传感器等各种器件集成在单个封装上。这种接近性可缩短互连长度，从而提高信号完整性并降低延迟。

• 缩小尺寸：2.5D 封装在中介层上堆叠裸片，（与 2D 封装相比）减少了整体占地面积，是更小、更薄设备的理想选择。

• 提高能效：2.5D 封装具有更短的互连和优化的芯片布局，可降低功耗，因此适用于电池供电设备。

2.5D 封装的应用

2.5D 封装已广泛应用于多个行业，包括高性能计算、数据中心和网络设备。它特别适合人工智能 (AI) 加速器，其中多种类型的芯片需要高效地协同工作。

2.5D 和 3D 封装技术都有其独特的优势和用途。

了解 3D 封装

3D 封装通过将多个半导体裸片堆叠在一起来创建三维结构，从而将集成度提升到新的水平。这种方法增强了封装的整体性能和功能，互连线更短且封装尺寸更小。然而，随着芯片进入真正的 3D-IC 领域（其中逻辑或内存芯片相互堆叠），它们的设计、制造以及最终的良率和测试过程变得更加复杂且更有挑战性。

3D 封装领域提供了多种方法来满足不同的需求。有“真正的 3D”封装，其中晶圆错综复杂地堆叠在一起，以实现最大程度的集成。还有另一类 “3D 系统级芯片（System-on-Chip，SoC）集成”，可能涉及背面配电层或内存晶圆彼此堆叠等特征。最后一种是 “3D 系统级封装（System-in-Package，SiP）”，接触间距约为 700 微米，包括扇出型晶圆级封装。

这些方法都解决了 3D 封装领域特定的技术需求和挑战。

3D 封装的优点

• 出色的集成度：3D 封装允许以更为紧凑的方式集成各种器件和功能，从而以紧凑的外形尺寸创建高度复杂的系统。

• 更好的散热：裸片在 3D 封装中垂直排列，因此可实现高效散热，解决与高性能计算相关的散热难题。

• 缩短互连长度：相比 2.5D封装，3D 封装进一步缩短了互连长度，从而最大限度地减少信号延迟和功耗。

3D 封装技术的一大显著优势在于缩短了连接距离。在堆叠的 3D 结构中，各个器件之间的距离约为 2D 结构中各个器件之间距离的 70%。缩短距离会直接影响系统布线部分的功耗，因为它会导致电容减小。因此，3D 封装的功耗大约是 2D 封装的 70%。

3D 封装的应用

在对性能和小型化要求极高的应用中，3D 封装越来越受欢迎。该封装技术通常用于先进的内存技术，例如高带宽存储器（High Bandwidth Memory，HBM）和高端智能手机、游戏机和专用计算的先进处理器。

2.5D 和 3D 封装的比较

2.5D IC 与 3D IC 封装：比较表

虽然 2.5D 和 3D 封装都具有显著的优势，但它们并不互相排斥，其适用性取决于应用的具体要求。2.5D 封装是迈向 3D 封装的重要阶梯，可在性能和复杂性之间找到完美平衡。当需要中等程度的集成或从传统 2D 封装过渡到更先进的技术时，我们通常会选择 2.5D 封装。

另一方面，3D 封装非常适合需要尖端性能、紧凑性和能效的应用。如有可能，3D 集成在所有讨论的方面都将比 2.5D 更加高效，只是复杂性有所增加。随着技术的成熟，我们预计 3D 封装将在各个领域变得日益普及。3D 封装不会取代 2.5D 封装，而是对其进行补充。未来，我们可能会看到这样一个生态系统：芯粒可以在 2.5D 封装中混合搭配，并可与真正的 3D 配置一起用于各种应用。

此外，异构性在 3D 集成中具有带来显著优势的潜力。异构技术架构——例如将光子集成电路（IC）与电子 IC 相结合——可以从 3D 集成中大大获益。在此类集成中，除 3D 集成之外的其它方式可能无法在不大幅牺牲功耗或性能的情况下实现大量的裸片到裸片互联。

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