2.5D和3D封裝的差異和應(yīng)用

半導體芯片封裝的重要性、傳統(tǒng)和先進技術(shù)以及該領(lǐng)域的未來趨勢。

半導體芯片封裝是指半導體器件的保護外殼。該保護殼可保護電路免受腐蝕和物理傷害，同時還便于連接電氣連接以將其與印刷電路板 (PCB) 連接。在這里，我們探討了半導體芯片封裝的重要性、傳統(tǒng)和先進技術(shù)以及該領(lǐng)域的未來趨勢。

半導體芯片封裝：傳統(tǒng)技術(shù)和先進技術(shù)

半導體芯片封裝的重要性

半導體芯片封裝是半導體器件生產(chǎn)過程的最后階段。在此關(guān)鍵時刻，半導體塊會覆蓋一層保護層，保護集成電路 (IC) 免受潛在的外部危險和時間的腐蝕影響。這種封裝本質(zhì)上充當保護外殼，屏蔽 IC 塊并促進負責將信號傳輸?shù)诫娮釉O(shè)備電路板的電氣連接。在技術(shù)不斷進步以及電子設(shè)備薄型化和小型化不斷發(fā)展的背景下，對半導體封裝的需求不斷增加。新一代封裝預(yù)計將提供更高的密度、多層功能和薄型設(shè)計，以滿足高速、高度集成和低功耗 IC 的需求。

重要的傳統(tǒng)封裝技術(shù)

20 世紀 50 年代開發(fā)的引線鍵合技術(shù)和 90 年代中期推出的倒裝芯片技術(shù)是當今仍在使用的傳統(tǒng)封裝技術(shù)。引線鍵合技術(shù)采用焊球和細金屬線將印刷電路板 (PCB) 連接到硅芯片。雖然它需要更少的空間并提供更長距離的連接，但它對環(huán)境條件很敏感，并且制造速度相對較慢。另一方面，倒裝芯片使用焊料凸塊將 PCB 直接粘合到硅芯片的整個表面，從而實現(xiàn)更小的外形尺寸和更快的信號傳播。然而，它們需要平坦的表面來安裝，并且更換起來可能具有挑戰(zhàn)性。這種方法具有多種優(yōu)點，包括改進的電氣性能、更好的散熱性和減小的封裝尺寸。陶瓷和塑料封裝是用于半導體器件的重要封裝材料。陶瓷封裝具有出色的熱性能和耐用性，適合高功率和高頻應(yīng)用。另一方面，塑料封裝具有成本效益，廣泛應(yīng)用于消費電子產(chǎn)品和集成電路。

先進半導體封裝技術(shù)

先進封裝領(lǐng)域出現(xiàn)了多種尖端技術(shù)，每種技術(shù)都具有獨特的優(yōu)勢，可以滿足現(xiàn)代技術(shù)日益增長的需求。2.5D 封裝涉及并排堆疊兩個或多個芯片，并通過中介層連接它們。這種方法通過促進芯片之間更快的數(shù)據(jù)傳輸來提高性能和功率效率。3D 封裝 使用兩種主要方法將多個芯片放置在彼此的頂部：具有微凸塊的硅通孔 (TSV) 和無凸塊混合鍵合。前者涉及通過硅芯片或晶圓的垂直電連接，而后者則利用介電鍵合和嵌入式金屬。3D 堆疊增強了內(nèi)存和處理能力，使其適用于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、圖形加速器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。扇出封裝將連接和焊球重新分布到芯片邊緣之外，從而實現(xiàn)更小的外形尺寸和改進的熱管理。扇出封裝因其緊湊的尺寸和耐熱性而廣泛應(yīng)用于移動應(yīng)用，使其成為半導體市場的關(guān)鍵參與者。

半導體芯片封裝的其他即將出現(xiàn)的趨勢

近年來，在對更小、更快、更高效的電子設(shè)備的不懈需求的推動下，半導體芯片封裝取得了顯著的進步。一些值得注意的創(chuàng)新包括：

2.5D 與 3D 封裝

2.5D 和 3D 半導體封裝技術(shù)對于電子設(shè)備性能至關(guān)重要。這兩種解決方案都不同程度地增強了性能、減小了尺寸并提高了能效。2.5D 封裝有利于組合各種組件并減少占地面積。它適合高性能計算和人工智能加速器中的應(yīng)用。3D 封裝提供無與倫比的集成度、高效散熱并縮短互連長度，使其成為高性能應(yīng)用的理想選擇。在快節(jié)奏的半導體技術(shù)領(lǐng)域，封裝在決定電子設(shè)備的性能、尺寸和功率效率方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。2.5D 和 3D 封裝這兩種著名的封裝技術(shù)已成為突出的解決方案。每種技術(shù)都具有獨特的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，是半導體制造商和設(shè)計人員必須考慮的因素。我們將探討 2.5D 和 3D 封裝的差異和應(yīng)用，以及它們?nèi)绾螐氐赘淖儼雽w格局。

了解 2.5D 封裝

2.5D封裝，也稱為2.5D中介層技術(shù)，是傳統(tǒng)2D封裝和成熟的3D封裝之間的中間步驟。在 2.5D 封裝中，通常采用不同工藝技術(shù)的多個半導體芯片并排放置在硅中介層上。中介層充當橋梁，連接各個芯片并提供高速通信接口。這種布置允許在單個封裝上組合不同功能時具有更大的靈活性。最流行的 2.5D 集成技術(shù)涉及將硅中介層與 TSV 相結(jié)合。在此配置中，芯片通常使用 MicroBump 技術(shù)連接到中介層。用作內(nèi)插器的硅基板通過凸塊連接連接至基板。硅襯底的表面使用重新分布層（RDL）布線互連，而TSV充當硅襯底的上表面和下表面之間的電連接的導管。 這種2.5D集成形式非常適合芯片尺寸較大、管腳密度要求較高的場景。通常，芯片以倒裝芯片配置安裝在硅基板上。

2.5D封裝的優(yōu)點

增強的性能：2.5D 封裝可將處理器、內(nèi)存和傳感器等多種組件集成在單個封裝上。這種接近性導致互連長度縮短，從而提高信號完整性并降低延遲。尺寸減小：通過在中介層上堆疊芯片，2.5D 封裝減少了封裝的整體占地面積（與 2D 相比），使其成為更小、更薄的設(shè)備的理想選擇。提高電源效率：2.5D 封裝中更短的互連和優(yōu)化的芯片布局可降低功耗，使其適合電池供電的設(shè)備。

2.5D封裝的應(yīng)用

2.5D 封裝已在各個行業(yè)得到應(yīng)用，包括高性能計算、數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。它特別適合人工智能 (AI) 加速器，其中多種類型的芯片需要高效地協(xié)同工作。

了解 3D 封裝

3D 封裝通過將多個半導體芯片堆疊在一起，創(chuàng)建三維結(jié)構(gòu)，將集成提升到一個新的水平。這種方法增強了包的整體性能和功能。這會導致更短的互連和更小的封裝尺寸。然而，隨著芯片深入到真正的 3D-IC 領(lǐng)域（其中邏輯或存儲芯片相互堆疊），設(shè)計、制造以及最終的良率和測試過程變得更加復雜和具有挑戰(zhàn)性。3D 封裝領(lǐng)域提供了多種方法來滿足不同的要求。有“真正的 3D”封裝，其中晶圓錯綜復雜地堆疊在一起，以實現(xiàn)最大程度的集成。還有另一類“ 3D 片上系統(tǒng) (SoC) 集成”，可能涉及背面配電層或存儲器晶圓彼此堆疊等功能。最后，“3D 系統(tǒng)級封裝 (SiP)”涉及約 700 微米的接觸間距，并采用扇出晶圓級封裝。 這些方法中的每一種都解決了 3D 封裝領(lǐng)域內(nèi)的特定技術(shù)需求和挑戰(zhàn)。

3D封裝的優(yōu)點

無與倫比的集成：3D 封裝允許以最緊湊的方式集成各種組件和功能，從而可以以緊湊的外形尺寸創(chuàng)建高度復雜的系統(tǒng)。改善散熱：3D 封裝中芯片的垂直排列可實現(xiàn)高效散熱，解決與高性能計算相關(guān)的熱挑戰(zhàn)?？s短互連長度：3D 封裝進一步縮短互連長度（超過 2.5D），從而最大限度地減少信號延遲和功耗。3D 封裝技術(shù)的一個非常顯著的優(yōu)勢是距離的縮短。在堆疊 3D 結(jié)構(gòu)中，各個組件之間的距離約為 2D 結(jié)構(gòu)中的距離的 0.7。這種距離的減少直接影響系統(tǒng)布線部分的功耗，因為它導致電容減少。因此，現(xiàn)在的功耗大約是 2D 配置中的 0.7 倍。

3D 封裝應(yīng)用

3D 封裝在極端性能和小型化至關(guān)重要的應(yīng)用中越來越受歡迎。它通常用于高級內(nèi)存技術(shù)，例如高帶寬內(nèi)存 (HBM) 以及用于高端智能手機、游戲機和專業(yè)計算的高級處理器。

比較 2.5D 和 3D 封裝

雖然 2.5D 和 3D 封裝都具有顯著的優(yōu)勢，但它們并不相互排斥，它們的適用性取決于應(yīng)用的具體要求。2.5D 封裝是邁向 3D 封裝的墊腳石，可平衡性能和復雜性。當需要中等程度的集成或從傳統(tǒng)的 2D 封裝過渡到更先進的技術(shù)時，通常會選擇它。另一方面，3D 封裝非常適合需要尖端性能、緊湊性和功效的應(yīng)用。與 2.5D 相比，如果可能的話，3D 集成在所有討論的方式上都將始終更加高效，只是復雜性會增加。隨著技術(shù)的成熟，我們預(yù)計 3D 封裝將在各個領(lǐng)域變得更加普遍。3D 封裝不會取代 2.5D 封裝，而是對其進行補充。未來，我們可能會看到一個生態(tài)系統(tǒng)，其中小芯片可以在 2.5D 封裝中混合和匹配，并為各種應(yīng)用提供真正的 3D 配置。此外，異構(gòu)性在 3D 集成中具有顯著優(yōu)勢的潛力。異構(gòu)技術(shù)架構(gòu)，例如將光子集成電路 (IC) 與電子 IC 相結(jié)合，可以極大地受益于 3D 集成。在此類集成中，通過任何其他方式可能無法在不顯著犧牲功率或性能的情況下實現(xiàn)所需的大量芯片到芯片互連。