【先进封装】3D-IC如何颠覆芯片封装范式？

摘要：在ChatGPT引爆AI算力需求的两年间，由英特尔、台积电和三星这三大代工巨头主导的3D-IC竞赛愈演愈烈。这些芯片大厂不再满足于工艺节点的追逐游戏，而是将关注点更多地投向立体堆叠技术，通过垂直搭建芯片，致力于实现在功耗微增下的数量级性能跃升。这场变革绝不仅是

（图片来源：Semiconductor Engineering）

在ChatGPT引爆AI算力需求的两年间，由英特尔、台积电和三星这三大代工巨头主导的3D-IC竞赛愈演愈烈。这些芯片大厂不再满足于工艺节点的追逐游戏，而是将关注点更多地投向立体堆叠技术，通过垂直搭建芯片，致力于实现在功耗微增下的数量级性能跃升。这场变革绝不仅是逻辑电路的微缩，而是半导体产业每个环节的重塑：从新型衬底材料的研发、背面供电网络的创新，到多裸片通信标准的建立，乃至EDA工具链的重构。

晶体管技术与先进封装技术开始携手同行，SoC被解构为芯粒（Chiplet），存储单元与计算核心开始立体堆叠，半导体芯片持续向功能密度激增而物理尺寸缩减的方向前进。然而，三维集成也带来了前所未有的挑战，散热挑战、机械应力挑战、供电问题、互连问题等等，只有不断的创新，才能让3D-IC的性能红利得以安全地释放。

垂直堆叠带来的优势

1. 突破传统架构限制

与传统平面SoC相比，3D-IC架构能够将逻辑单元、SRAM和HBM内存等不同功能的芯片以三维方式集成，从而在性能、功耗和面积效率上实现质的飞跃。虽然相关制造技术仍在完善中，但行业巨头们已纷纷布局，台积电、三星和英特尔等晶圆厂均已宣布将在未来几年投入数千亿美元推动3D-IC量产。以英特尔为例，其创新性地将14A Chiplet直接堆叠在SRAM存储单元之上，环绕HBM并通过EMIB桥接技术与I/O连接。这种设计不仅大幅缩短了数据访问路径，还优化了芯片面积利用率，使系统整体性能得到显著提升。

2. 破解"内存墙"困局

在追求更高计算性能的道路上，"内存墙（Memory wall）"是一道很难逾越的障碍。随着核心数量增加，计算能力提升，内存与计算单元之间的数据传输效率使得内存系统难以同步提供足够数据，使处理器经常处于"饥饿"（等待数据）状态，从而形成性能瓶颈。传统芯片设计中，SRAM与计算单元会竞争芯片面积；3D-IC技术则通过垂直堆叠存储单元，为这一难题提供了创新的解决方案。3D-IC架构中，HBM4凭借2048位超宽通道大幅提升了带宽，而SRAM则依靠其六晶体管结构，以速度优势成为L1/L2缓存的首选。

英特尔代工业务高级副总裁Kevin O'Buckley强调："3D技术让我们能在保持计算能力的同时，大幅增加SRAM面积占比，从而完美平衡性能与能效。"

3. 逻辑堆叠逻辑，开启芯片设计新纪元

3D-IC技术最激动人心的前景在于实现真正的逻辑堆叠逻辑（Logic-on-Logic）架构。这一突破性构想旨在通过垂直堆叠使晶体管密度翻倍，让多层芯片像单一系统般高效运作。虽然散热问题曾长期制约该技术的发展，但领先厂商已找到破解之道。台积电业务开发高级副总裁Kevin Zhang透露，该公司正在开发"面对背"（Face-to-Back）和"面对面"（Face-to-Face）等先进封装方案，利用先进的互连技术可以将混合键合间距从目前的9微米微缩至6微米，并最终达到5微米甚至更小。

三星则通过优化基板材料提升散热效率，该公司还在去年春季的一次演示中展示了一份路线图。该路线图以逻辑叠层为特色，将2nm(SF2) 裸片叠在4nm(SF4X) 裸片上，两者再安装在另一个基板上。三星还透露将于2027年实现将SF1.4堆叠在SF2P上。

图：英特尔14A Chiplet直接堆叠在SRAM存储单元之上（图片来源：英特尔）

图：台积电3D-IC路线图（图片来源：台积电）

图：三星 3D-IC 路线图（图片来源：三星）

核心挑战散热问题

3D-IC技术发展面临的核心挑战是散热问题，这也是制约其产业化进程的关键因素。随着先进制程芯片对性能和能效要求的不断提升，散热解决方案已成为行业重点攻关方向。目前三大晶圆代工厂均已将3D-IC技术列入重要发展路线图，其部分核心思路极大可能是通过混搭最新制程与前一至两代成熟制程芯片，实现系统级集成，并采用高速互连技术连接从传统平面SoC中分离的关键模块。

在散热技术领域，近年来已形成了多个极具潜力的研究方向：

1.硅通孔导热技术（Thermal vias）：通过在裸片堆叠中构建导热通孔，形成直达封装外部散热器的"微型散热通道"。其技术难点在于需要根据不同工作负载产生的热场分布，优化散热通孔的数量与布局方案。

2.蒸汽腔冷却技术（Vapor Caps）：利用气体流经湿润垫时蒸发吸热的原理，通过蒸发冷却降低温度，并将热量传递至外部散热器。该技术此前在移动设备应用中受限于使用环境，但在固定式数据中心场景下展现出良好的经济性和可行性。

3.微流道液冷技术（Microfluidics）：这项源于大型计算机的水冷方案又迎来新的发展机遇。尽管仍存在系统复杂性和可靠性等工程挑战，但对于高功率密度芯片的散热需求来说，在微小通道中的液冷散热仍具有独特优势。

4.新型导热界面材料：包括导热垫片、膏体材料及碳纳米管复合材料等。当前主要瓶颈在于长期可靠性验证不足，以及规模化生产成本较高。

5.浸没式液冷方案（Immersion）：听起来有点违背常理，实际上电子设备可以浸入惰性液体而不会引起短路。用惰性液体作为冷却介质，在确保电气安全的前提下可以实现整体散热。这项技术在系统维护、成本控制和环保性等方面仍需进一步优化。

这些散热技术路线各具特色，但都面临着从实验室走向量产的工程化挑战。未来3D-IC技术的发展速度，将很大程度上取决于散热技术的突破进程。

应力挑战

3D-IC技术通过垂直堆叠多个芯片并集成多样化的材料、中介层和微细互连结构，在提升系统性能的同时也带来了显著的应力挑战。这种复杂的多层结构会引发封装翘曲、芯片断裂、焊点疲劳以及界面分层等问题，不仅影响制造良率，还可能导致器件在长期使用中出现性能退化。尤其值得关注的是，某些应力相关的失效机制（如载流子迁移率变化）往往难以直接检测，却会在热循环或机械应力条件下引发电路性能故障，给产品可靠性带来潜在风险。

传统的二维验证工具和部分装配模拟器在处理这些复杂应力问题时存在明显局限。这些方法通常过度简化芯片几何结构，无法准确捕捉先进3D结构中局部应力的分布特征，也缺乏将封装工艺条件与最终系统行为相关联的能力。要全面评估3D-IC的可靠性，必须采用多层次的分析方法，精确模拟从芯片到封装的完整物理堆栈，同时考虑机械应力与电气性能的耦合效应，才能有效识别和缓解潜在的失效风险。

图：多尺度模拟考虑了从器件到芯片再到封装组装的应力的影响

应对3D-IC应力挑战需要采用创新的"左移"验证策略。传统将应力检查留至最终签核阶段的做法容易导致后期发现严重问题，造成高昂的重新设计成本。为此，业界正转向在设计流程早期就引入深入的可靠性验证，使设计团队能够在调整空间最大的阶段识别并解决应力问题。这种策略要求开发流程集成早期的自动化应力分析工具，以支持快速的架构探索和芯片/封装协同设计迭代。

3D-IC应力分析需要采用分层、装配感知的全新方法。先进的应力分析解决方案能够构建从毫米级基板到纳米级器件特征的完整组件模型，综合考虑芯片布局、材料特性以及TSV、焊料凸块、中介层和底部填充等关键结构。这种多尺度建模方法超越了传统将芯片视为简单硅块的"黑匣子"方式，能够精确模拟机械应力在堆栈中的传播效应，包括封装挠曲、应力热点、载流子迁移率变化以及界面可靠性等问题，为设计团队提供更深入的洞察。

为有效实施左移策略，应力分析工具需要无缝集成到现有IC验证流程中。以西门子Calibre 3DStress为例，该工具支持从早期探索到最终签核的全流程验证。在早期阶段，工程师可以快速评估多种封装和材料选项，识别潜在应力风险；在设计推进过程中，通过"假设"分析优化关键器件布局；最终签核阶段则执行严格的可靠性验证。这种集成方法显著降低了组装后故障风险，同时支持设计团队在数据不完整的早期阶段就开始迭代优化，随着项目进展逐步提高模拟精度，做出最佳的芯片-封装协同设计决策。

全面的应力可视化和电-机协同分析是确保3D-IC可靠性的关键。成熟的应力分析工具需要提供高分辨率的全栈验证能力，通过直观的可视化界面展示应力、翘曲等关键参数。更为重要的是，顶级解决方案能够将机械应力信息反标到电气模型中，实现机械可靠性与电气性能的协同优化。这种综合分析能力对于汽车电子、高性能计算等关键应用尤为重要，可以帮助设计团队在产品开发早期就能全面评估系统可靠性。

供电网络创新

在3D-IC技术快速发展的背景下，供电网络设计也面临前所未有的挑战。随着晶体管数量呈指数级增长，传统的供电方案已难以满足高性能计算芯片的需求。供电网络不仅需要应对日益严重的布线拥塞问题，还要解决长距离输电带来的功率损耗和热管理难题。这些挑战直接影响了芯片的性能表现和可靠性。

为突破这些限制，领先厂商纷纷推出创新解决方案，目前最突出的就是背面供电技术（Backside Power Delivery，BPD)。

·英特尔率先在18A节点上实现了 RibbonFET全环绕栅极晶体管和PowerVia BPD背面供电技术的结合，将供电网络移至芯片背面。

·台积电则计划在2026年推出的A16节点中实现超级电源轨BPD技术，通过完全分离供电网络与信号层来提升性能。

·三星计划中的SF2Z方案则采用三维供电网格架构，在2nm工艺中展现出独特优势。

将电源传输网络移至芯片外部，缩短了电源传输距离，并使信号在芯片内部各个金属层间的传输更加简单。裸片间的布线也变得更加简单，尤其是在布满了硅通孔且通过混合键合连接的裸片之间。

然而，随着供电密度的持续增加，新的挑战也随之而来。业内专家指出，在高密度TSV集成区域，累积的热效应可能形成局部热点，这对热管理提出了更高要求。为应对这一挑战，集成稳压器技术正在快速发展。它能够降低输入电流需求，有效缓解热膨胀风险。

光互连革命

在人工智能计算需求爆炸式增长的推动下，光互连技术正在开启数据传输的新纪元。与传统的铜互连相比，光互连在带宽密度、传输延迟、能效比和抗干扰性等方面展现出革命性优势。超高带宽、皮秒级的传输延迟、超低能耗，以及彻底解决电磁串扰的能力，使光互连成为突破数据传输瓶颈的关键技术，在3D-IC中更是如此。半导体产业正在积极推进光互连技术的商业化应用。我们可以看到，所有晶圆大厂都在其路线图中包含了光电共封装的部分。

然而在实际应用中，光互连技术仍需克服很多工程挑战。例如，光不会拐弯，所以波导不能有任何直角，而且它需要光滑的通道。此外，光会对热产生反应，可能导致偏移。这就带来光元件的放置问题，目前可用的解决方案是将温度不敏感的MUX器件布置在计算单元附近，而将激光源设置在远端；此外还可以通过开发先进的平滑侧壁工艺来降低波导损耗。光子技术还可以用来降低芯片的发热量。尽管电子在计算方面非常出色，但就信号传输而言，光子更胜一筹。

图：台积电计划将共封装光学器件与其 3D-IC 模型相结合（资料来源：台积电）

图：英特尔的光学路线图（资料来源：英特尔）

工艺持续微缩

看似矛盾的是，要充分发挥3D-IC的性能优势，反而需要持续推进工艺微缩。这背后的关键不仅在于晶体管性能的提升，更在于功率密度的优化。更小的晶体管能效更高，这对降低数据中心能耗和散热压力至关重要。从FinFET向全环绕栅极(GAA)晶体管的演进，有效抑制了静态漏电，减少了芯片堆叠中的热量积聚。

台积电即将推出的A14节点就是个典型案例。据台积电高管介绍："A14相比前代实现了15%的速度提升，30%的功耗降低，以及1.23倍的逻辑密度增长。"这项预计2028年量产的技术采用了创新的NanoFlex Pro设计架构，通过设计工艺协同优化，可以更灵活地平衡性能与功耗。初代A14暂未集成背面供电技术，2029年的改进版才会引入。

在GAA晶体管竞赛中，三巨头各显神通：

·英特尔推出名为RibbonFET的定制化GAA架构；

·三星则在2nm节点率先导入GAA技术；

·台积电则通过A14节点延续其工艺领先优势。

这些创新不仅体现在晶体管结构上，更将深刻影响3D-IC的设计范式。然而制程微缩也带来新的挑战：更薄的介电层可能引发信号串扰，减薄后的芯片衬底会削弱绝缘性能，加速时间相关介电击穿(TDDB)。这些因素使得3D-IC的布线复杂度呈指数级上升，需要投入更多资源进行仿真验证和调试。

"要实现千亿乃至万亿级晶体管集成，3D-IC是唯一可行的路径。"新思科技CEO指出，"但面对这种复杂度，必须重构互连架构和多裸片系统设计方法。"未来的3D-IC可能整合来自不同工艺、甚至不同代工厂的裸片，这对系统级验证提出了前所未有的要求。工艺微缩与3D集成的协同创新，正在重新定义半导体技术的发展轨迹。

图：台积电的工艺路线图（资料来源：台积电）