半導(dǎo)體封裝技術(shù)的發(fā)展始終遵循著摩爾定律的延伸與超越。當(dāng)制程工藝逼近物理極限，先進(jìn)封裝技術(shù)成為延續(xù)芯片性能提升的關(guān)鍵路徑。本文將從技術(shù)原理、典型結(jié)構(gòu)和應(yīng)用場(chǎng)景三個(gè)維度，系統(tǒng)剖析2D、2.5D及3D封裝的技術(shù)差異。

一、傳統(tǒng)2D封裝的平面集成

作為最成熟的封裝形式，2D封裝采用引線鍵合（Wire Bonding）或倒裝焊（Flip Chip）方式，將芯片水平排布在基板表面。其核心特征是所有互連都發(fā)生在XY平面內(nèi)，通過(guò)基板的金屬布線層實(shí)現(xiàn)芯片間通信。以常見(jiàn)的QFP封裝為例，芯片通過(guò)金線與外圍引腳連接，最終用環(huán)氧樹(shù)脂塑封成型。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)在于工藝成熟、成本低廉，但受限于平面布局，當(dāng)集成多顆芯片時(shí)會(huì)導(dǎo)致封裝面積急劇增大，且互連長(zhǎng)度增加帶來(lái)信號(hào)延遲和功耗上升問(wèn)題。目前仍廣泛應(yīng)用于微控制器、功率器件等對(duì)集成度要求不高的領(lǐng)域。

二、2.5D封裝的硅中介層革命

2.5D封裝通過(guò)引入硅中介層（Interposer）實(shí)現(xiàn)技術(shù)躍遷。該技術(shù)將芯片并列排布在帶有TSV（硅通孔）的硅中介層上，中介層既提供高密度互連布線，又通過(guò)TSV實(shí)現(xiàn)垂直方向的電氣連接。以臺(tái)積電CoWoS（Chip on Wafer on Substrate）為例，其硅中介層布線密度可達(dá)傳統(tǒng)PCB基板的100倍以上，線寬/線距可做到0.4μm/0.4μm。這種結(jié)構(gòu)特別適合HBM高帶寬內(nèi)存與邏輯芯片的集成，例如NVIDIA的GPU通過(guò)2.5D封裝將HBM2顯存與GPU核心的互連距離縮短至毫米級(jí)，帶寬提升至傳統(tǒng)GDDR方案的5倍以上。但硅中介層的制造需要額外工藝步驟，導(dǎo)致成本比傳統(tǒng)封裝高出30-50%。

三、3D封裝的垂直堆疊突破

3D封裝直接將芯片或芯片層在Z軸方向堆疊，通過(guò)TSV實(shí)現(xiàn)垂直互連。三星的V-NAND閃存就是典型代表，其將128層存儲(chǔ)單元垂直堆疊，單元間距僅幾十納米。更復(fù)雜的3D IC如AMD的3D V-Cache技術(shù)，采用混合鍵合（Hybrid Bonding）將64MB SRAM緩存堆疊在計(jì)算芯片上方，互連密度達(dá)到每平方毫米10^6個(gè)連接點(diǎn)，訪問(wèn)延遲降低至傳統(tǒng)片外緩存的1/3。這種結(jié)構(gòu)最大優(yōu)勢(shì)是大幅縮短互連長(zhǎng)度，使得數(shù)據(jù)傳輸能耗降低達(dá)90%，但面臨散熱挑戰(zhàn)，需要配套開(kāi)發(fā)微流體冷卻等新型散熱方案。

四、技術(shù)對(duì)比與演進(jìn)趨勢(shì)

從集成密度來(lái)看，2D封裝互連密度約102/cm2，2.5D提升至10?/cm2，而3D封裝可達(dá)10?/cm2。在延遲表現(xiàn)上，3D封裝的垂直互連使信號(hào)傳輸路徑縮短至微米級(jí)，較2D封裝的厘米級(jí)路徑有量級(jí)提升。成本方面，2D封裝每平方厘米約0.1美元，2.5D因硅中介層升至1-2美元，3D封裝則需3-5美元。當(dāng)前技術(shù)演進(jìn)呈現(xiàn)融合態(tài)勢(shì)：Intel的Foveros Direct技術(shù)將2.5D中介層與3D堆疊結(jié)合，實(shí)現(xiàn)40μm間距的面對(duì)面鍵合；臺(tái)積電SoIC技術(shù)則通過(guò)晶圓級(jí)鍵合使堆疊間隙小于1μm。未來(lái)隨著混合鍵合、光互連等技術(shù)的發(fā)展，封裝技術(shù)將繼續(xù)向異質(zhì)集成、超短距互連方向演進(jìn)，推動(dòng)算力密度突破新的物理極限。

審核編輯 黃宇