摘要：我们知道，集成电路 (IC) 封装是半导体制造过程中的关键步骤，需要将半导体芯片（实际的集成电路）封装在具有保护性且通常具有功能性的封装中。这种封装具有多种用途，包括提供环境防护、散热、电气连接，有时还具有信号调理或功率传输等附加功能。

我们知道，集成电路 (IC) 封装是半导体制造过程中的关键步骤，需要将半导体芯片（实际的集成电路）封装在具有保护性且通常具有功能性的封装中。这种封装具有多种用途，包括提供环境防护、散热、电气连接，有时还具有信号调理或功率传输等附加功能。

半导体制造流程中，IC 封装通常发生在实际半导体器件制造之后。该过程包括取出裸露的半导体芯片（通常是包含集成电路的一小块易碎的硅片），并将其放入提供必要支撑和连接的封装中。

想象一下，你刚刚烤出一个美味而精致的蛋糕（相当于半导体器件）。蛋糕代表着集成电路，它是厨房里细致而精准工作的成果（类似于半导体制造）。

然而，你的蛋糕仍然容易受到天气影响，而且你需要把它运送到城里另一边的派对。你肯定不希望它受损，所以需要妥善封装。你可以把它放在一个结实的蛋糕盒里（类似于IC封装），这样不仅可以保护蛋糕脆弱的结构，还能方便地携带。

在这个类比中：

烘焙蛋糕（半导体制造）：这是在半导体晶片上创建集成电路的过程。

蛋糕封装（IC封装）：蛋糕烘焙完成后，需要将其放入盒子中保护。同样，半导体制造完成后，需要将裸片放入功能性封装中保护。

运送至派对（集成到设备中）：现在，您可以将包装好的蛋糕运送到派对上并享用。同样，您可以将封装好的半导体集成到电子设备中，例如智能手机或计算机。

在这两种情况下，封装都能保护精密的核心部件（芯片或半导体），并方便外部连接（传输或电路板连接）。半导体封装通常还具有散热功能，以保持集成电路的性能。

在从二维到三维的演进中，封装从平面结构向分层结构演进，旨在突破尺寸、功耗、信号传输等方面的限制，开启半导体技术的新纪元。

在二维 IC 封装中，将单个芯片或裸片并排排列在基板或印刷电路板 (PCB) 上。使用引线键合或倒装芯片技术将它们互连。

然而，随着芯片上晶体管数量的增加（遵循摩尔定律），互连长度和复杂性也会增加，导致功耗更高、信号传输速度更慢。

2D封装面临的一些问题是：

集成度有限：在二维 IC 封装中，不同功能的分立器件（例如高性能逻辑、低性能逻辑、存储器以及模拟/射频）各自位于各自的芯片封装中。这种设置限制了可实现的集成度。

尺寸和重量：二维 IC 封装产生的电路板将更大、更重，并且消耗更多电量。

可靠性：电路板上的每个焊接点都是潜在的故障点。

性能影响：性能受到显著影响，因为信号从一个芯片封装传播到另一个芯片封装需要相对较长的时间。

随着摩尔定律的放缓，半导体行业转向创新封装技术以跟上步伐。2.5D 和 3D IC 提供了连接多个芯片的突破性方法，从而提高了速度、效率和小型化程度。

想象一下，您的智能手机可以流畅运行多个应用程序，而您的笔记本电脑则可以处理复杂的 AI 任务，而不会过热或运行缓慢。这种流畅性能的背后，是内部微型芯片（即集成电路 (IC)）的关键设计。随着技术的进步，芯片制造商正在探索新的方法，以便在更小的空间内实现更高的性能和更高的效率。2.5D和 3D IC 架构是两种领先的竞争者。

但哪一个能真正推动计算的未来呢？就像把书整齐地堆放在书架上（2.5D）和建造一座多层图书馆塔（3D）一样，

这些设计具有不同的优势和挑战，可以塑造从日常设备到下一代超级计算机的一切。

让我们深入芯片堆叠的世界，看看哪种架构是未来技术突破的关键。

2.5D IC 将芯片并排排列在中介层上；3D IC 则垂直堆叠芯片。

2.5D 中介层提供密集的水平连接；3D IC 使用垂直硅通孔 (TSV)。

3D IC 可以实现更高的集成密度，但面临更大的冷却和设计复杂性。

2.5D IC 具有中等复杂度且更易于热管理的特点。

这两种技术都致力于提高性能、降低功耗、缩小占用空间，超越传统的晶体管缩放。

什么是2.5D？

2.5D IC 封装是传统 2D IC 的渐进式发展。与将芯片并排放置在基板上的 2D 封装不同，2.5D 封装需要将两个或多个有源半导体芯片并排放置在硅中介层上。

这种中介层通常由硅或玻璃制成，其作用类似于密集的高速电路板，可实现芯片之间的紧密快速通信。

该硅中介层提供芯片之间的连接，实现极高的芯片间互连密度。与二维 IC 封装相比， 这可以实现更精细的线路和空间。

因此，虽然2D封装将芯片分布在一个平面上，但2.5D封装已开始兴起。这提供了一种介于2D和3D封装之间的中间地带。

我们可以将 2.5D IC 封装想象成一座城市，由高度相同的建筑物组成，并通过桥梁连接。每座“建筑物”都是一个执行特定功能的芯片。 “桥梁”是硅中介层，它允许建筑物之间实现更快、更高效的通信。

与将组件安装在单独的印刷电路板 (PCB) 上的传统多芯片模块相比，这种设置显著提高了信号速度和功率效率。

例如，AMD 的 Radeon GPU采用 2.5D 封装技术，将主逻辑芯片连接到多个高带宽内存 (HBM)堆栈。这种设计实现了高达2 TB/s 的数据传输速度，同时显著降低了能耗。

2.5D 方法允许：

在一个平台上集成异构技术（逻辑、内存、RF）与 3D 堆叠相比，热管理相对容易中等设计复杂度，有助于加快产品上市时间。

2.5D IC封装示例：

英特尔 Kaby Lake-G 处理器：该处理器采用英特尔嵌入式多芯片互连桥 (EMIB) 技术，将 CPU 和 GPU 结合在一个封装中。

AMD 的 Radeon Instinct MI25X 显卡：它使用 AMD 的 Interposer Bridge (IFB) 技术将多个 HBM2 内存堆栈连接到 GPU。

NVIDIA的Tesla V100显卡：这款显卡采用了NVIDIA的NVLink技术，将多个GPU连接在一起。

但是，摩尔定律的局限性以及芯片堆叠的特性依然会导致芯片碰到新瓶颈。

器件微缩：这涉及缩小整个芯片或封装的尺寸，包括所有晶体管、互连线和其他组件。通常会使用光刻和蚀刻等技术。

然而，随着摩尔定律的极限逼近，器件的微缩成为一项挑战。器件微缩的速度越来越慢，而这些芯片的技术、设计、分析和制造成本却越来越高。

物理限制：由于模块并排放置，添加更多芯片会导致面积增大。实际尺寸存在限制。

光掩模和光罩的尺寸最终决定了芯片的最大尺寸——边长大约为25到27毫米。所以，从物理上讲，你不可能制造出比这更大的芯片。

晶体管缩放：由于晶体管缩放的数量已经减少，设计人员无法通过将越来越多的设备放入单个封装中而从增加的复杂性中获益。

3D IC封装的出现

3D IC 封装就像将书本堆叠在一起。每本“书”或芯片都有各自的功能，它们垂直连接，就像书本之间的楼梯。这使得我们可以在同一个书架空间内放置更多书籍，从而提高系统速度和效率。这就像在城市里建造摩天大楼以节省空间一样。

3D集成电路通过垂直堆叠芯片，将集成度提升到一个新的高度。它们使用称为“硅通孔”（TSV）的微型垂直导管连接这些层，这些导管可直接穿过硅基板传输信号和电力。

想象一下，一座摩天大楼的多层楼通过电梯（TSV）连接，大大缩短了数据在各层之间的传输距离。这种垂直堆叠技术最大限度地减少了信号延迟，并实现了超高带宽，使 3D IC 成为数据密集型应用的理想选择。

3D IC 实现了“超越摩尔定律”的集成，在更小的空间内增强功能并降低成本。这些封装可容纳不同工艺节点的各种芯片，包括逻辑、存储器、模拟、射频和 MEMS 芯片。它们将高速逻辑与旧节点的模拟功能相结合。这种方法优化了性能和尺寸。

因此，可以在具有更大空间的单个芯片中集成多个设备。

3D IC 封装是通过称为垂直堆叠的工艺实现的。这涉及使用传统的互连方法，例如引线键合和倒装芯片技术。3D 封装可分为 3D 系统级封装 (3D SiP) 和 3D 晶圆级封装 (3D WLP)。

可以将3D 系统级封装(3D SiP)想象成一栋多层建筑，每层楼都包含不同的芯片。它们通过电梯（引线键合或倒装芯片技术）连接。

3D晶圆级封装（3D WLP）就像一个大型的楼层，不同的房间（芯片）通过门（互连）连接。整个楼层一次性建成（晶圆级工艺），形成一个封装好的组件基座结构。

写在最后

这两种方法都使我们能够在同一封装中安装更多的芯片，从而提高性能。

随着晶体管尺寸缩小速度放缓， 2.5D 和 3D IC 等“超越摩尔”创新技术是保持芯片性能的关键。它们能够：

通过缩短互连长度实现更快的数据移动

通过高效的通信路径降低功耗

紧凑的设备外形对于移动和边缘设备至关重要

在一个芯片平台上集成多种技术（例如逻辑、存储器、RF、传感器）

Yole Dévelopement的市场预测估计，受人工智能、5G、HPC 和汽车领域需求的推动，先进芯片封装市场将从 2023 年的 35 亿美元增长到 2030 年的 100 多亿美元。

在 2.5D 和 3D IC 之间进行选择，取决于应用的性能、功率、尺寸和成本要求。2.5D 提供均衡且经济高效的解决方案，而 3D IC 则以更高的集成密度突破了性能界限。

半导体的未来将在很大程度上依赖于这些架构，以满足人工智能、5G、边缘计算等领域不断增长的需求。对于工程师、投资者和技术爱好者来说，了解这些封装创新至关重要。

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来源：半导体行业观察一点号