2.5D和3D封裝的差異和應(yīng)用

2.5D 與 3D 封裝

2.5D 和 3D 半導(dǎo)體封裝技術(shù)對(duì)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(qiáng)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(jì)算和人工智能加速器中的應(yīng)用。3D 封裝提供無(wú)與倫比的集成度、高效散熱并縮短互連長(zhǎng)度，使其成為高性能應(yīng)用的理想選擇。

在快節(jié)奏的半導(dǎo)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)，是半導(dǎo)體制造商和設(shè)計(jì)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?dǎo)體格局。

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(gè)半導(dǎo)體芯片并排放置在硅中介層上。中介層充當(dāng)橋梁，連接各個(gè)芯片并提供高速通信接口。這種布置允許在單個(gè)封裝上組合不同功能時(shí)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(guò)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(dāng)硅襯底的上表面和下表面之間的電連接的導(dǎo)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(chǎng)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(diǎn)

增強(qiáng)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(gè)封裝上。這種接近性導(dǎo)致互連長(zhǎng)度縮短，從而提高信號(hào)完整性并降低延遲。

尺寸減?。和ㄟ^(guò)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(gè)行業(yè)得到應(yīng)用，包括高性能計(jì)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(lèi)型的芯片需要高效地協(xié)同工作。

了解 3D 封裝

3D 封裝通過(guò)將多個(gè)半導(dǎo)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(gè)新的水平。這種方法增強(qiáng)了包的整體性能和功能。這會(huì)導(dǎo)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(chǔ)芯片相互堆疊），設(shè)計(jì)、制造以及最終的良率和測(cè)試過(guò)程變得更加復(fù)雜和具有挑戰(zhàn)性。

3D 封裝領(lǐng)域提供了多種方法來(lái)滿足不同的要求。有“真正的 3D”封裝，其中晶圓錯(cuò)綜復(fù)雜地堆疊在一起，以實(shí)現(xiàn)最大程度的集成。還有另一類(lèi)“ 3D 片上系統(tǒng) (SoC) 集成”，可能涉及背面配電層或存儲(chǔ)器晶圓彼此堆疊等功能。最后，“3D 系統(tǒng)級(jí)封裝 (SiP)”涉及約 700 微米的接觸間距，并采用扇出晶圓級(jí)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(diǎn)

無(wú)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(fù)雜的系統(tǒng)。

改善散熱：3D 封裝中芯片的垂直排列可實(shí)現(xiàn)高效散熱，解決與高性能計(jì)算相關(guān)的熱挑戰(zhàn)。

縮短互連長(zhǎng)度：3D 封裝進(jìn)一步縮短互連長(zhǎng)度（超過(guò) 2.5D），從而最大限度地減少信號(hào)延遲和功耗。3D 封裝技術(shù)的一個(gè)非常顯著的優(yōu)勢(shì)是距離的縮短。在堆疊 3D 結(jié)構(gòu)中，各個(gè)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?yàn)樗鼘?dǎo)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(lái)越受歡迎。它通常用于高級(jí)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(jī)、游戲機(jī)和專業(yè)計(jì)算的高級(jí)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(shì)，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(fù)雜性。當(dāng)需要中等程度的集成或從傳統(tǒng)的 2D 封裝過(guò)渡到更先進(jìn)的技術(shù)時(shí)，通常會(huì)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(fù)雜性會(huì)增加。隨著技術(shù)的成熟，我們預(yù)計(jì) 3D 封裝將在各個(gè)領(lǐng)域變得更加普遍。3D 封裝不會(huì)取代 2.5D 封裝，而是對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充。未來(lái)，我們可能會(huì)看到一個(gè)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(shì)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(lèi)集成中，通過(guò)任何其他方式可能無(wú)法在不顯著犧牲功率或性能的情況下實(shí)現(xiàn)所需的大量芯片到芯片互連。

審核編輯：湯梓紅