2.5D和3D封装的差异和应用

半导体芯片封装的重要性、传统和先进技术以及该领域的未来趋势。

半导体芯片封装是指半导体器件的保护外壳。该保护壳可保护电路免受腐蚀和物理伤害，同时还便于连接电气连接以将其与印刷电路板 (PCB) 连接。在这里，我们探讨了半导体芯片封装的重要性、传统和先进技术以及该领域的未来趋势。

半导体芯片封装：传统技术和先进技术

半导体芯片封装的重要性

半导体芯片封装是半导体器件生产过程的最后阶段。在此关键时刻，半导体块会覆盖一层保护层，保护集成电路 (IC) 免受潜在的外部危险和时间的腐蚀影响。这种封装本质上充当保护外壳，屏蔽 IC 块并促进负责将信号传输到电子设备电路板的电气连接。在技术不断进步以及电子设备薄型化和小型化不断发展的背景下，对半导体封装的需求不断增加。新一代封装预计将提供更高的密度、多层功能和薄型设计，以满足高速、高度集成和低功耗 IC 的需求。

重要的传统封装技术

20 世纪 50 年代开发的引线键合技术和 90 年代中期推出的倒装芯片技术是当今仍在使用的传统封装技术。引线键合技术采用焊球和细金属线将印刷电路板 (PCB) 连接到硅芯片。虽然它需要更少的空间并提供更长距离的连接，但它对环境条件很敏感，并且制造速度相对较慢。另一方面，倒装芯片使用焊料凸块将 PCB 直接粘合到硅芯片的整个表面，从而实现更小的外形尺寸和更快的信号传播。然而，它们需要平坦的表面来安装，并且更换起来可能具有挑战性。这种方法具有多种优点，包括改进的电气性能、更好的散热性和减小的封装尺寸。陶瓷和塑料封装是用于半导体器件的重要封装材料。陶瓷封装具有出色的热性能和耐用性，适合高功率和高频应用。另一方面，塑料封装具有成本效益，广泛应用于消费电子产品和集成电路。

先进半导体封装技术

先进封装领域出现了多种尖端技术，每种技术都具有独特的优势，可以满足现代技术日益增长的需求。2.5D 封装涉及并排堆叠两个或多个芯片，并通过中介层连接它们。这种方法通过促进芯片之间更快的数据传输来提高性能和功率效率。3D 封装 使用两种主要方法将多个芯片放置在彼此的顶部：具有微凸块的硅通孔 (TSV) 和无凸块混合键合。前者涉及通过硅芯片或晶圆的垂直电连接，而后者则利用介电键合和嵌入式金属。3D 堆叠增强了内存和处理能力，使其适用于数据中心服务器、图形加速器和网络设备。扇出封装将连接和焊球重新分布到芯片边缘之外，从而实现更小的外形尺寸和改进的热管理。扇出封装因其紧凑的尺寸和耐热性而广泛应用于移动应用，使其成为半导体市场的关键参与者。

半导体芯片封装的其他即将出现的趋势

近年来，在对更小、更快、更高效的电子设备的不懈需求的推动下，半导体芯片封装取得了显著的进步。一些值得注意的创新包括：

2.5D 与 3D 封装

2.5D 和 3D 半导体封装技术对于电子设备性能至关重要。这两种解决方案都不同程度地增强了性能、减小了尺寸并提高了能效。2.5D 封装有利于组合各种组件并减少占地面积。它适合高性能计算和人工智能加速器中的应用。3D 封装提供无与伦比的集成度、高效散热并缩短互连长度，使其成为高性能应用的理想选择。在快节奏的半导体技术领域，封装在决定电子设备的性能、尺寸和功率效率方面发挥着至关重要的作用。2.5D 和 3D 封装这两种著名的封装技术已成为突出的解决方案。每种技术都具有独特的优势和挑战，是半导体制造商和设计人员必须考虑的因素。我们将探讨 2.5D 和 3D 封装的差异和应用，以及它们如何彻底改变半导体格局。

了解 2.5D 封装

2.5D封装，也称为2.5D中介层技术，是传统2D封装和成熟的3D封装之间的中间步骤。在 2.5D 封装中，通常采用不同工艺技术的多个半导体芯片并排放置在硅中介层上。中介层充当桥梁，连接各个芯片并提供高速通信接口。这种布置允许在单个封装上组合不同功能时具有更大的灵活性。最流行的 2.5D 集成技术涉及将硅中介层与 TSV 相结合。在此配置中，芯片通常使用 MicroBump 技术连接到中介层。用作内插器的硅基板通过凸块连接连接至基板。硅衬底的表面使用重新分布层（RDL）布线互连，而TSV充当硅衬底的上表面和下表面之间的电连接的导管。 这种2.5D集成形式非常适合芯片尺寸较大、管脚密度要求较高的场景。通常，芯片以倒装芯片配置安装在硅基板上。

2.5D封装的优点

增强的性能：2.5D 封装可将处理器、内存和传感器等多种组件集成在单个封装上。这种接近性导致互连长度缩短，从而提高信号完整性并降低延迟。尺寸减小：通过在中介层上堆叠芯片，2.5D 封装减少了封装的整体占地面积（与 2D 相比），使其成为更小、更薄的设备的理想选择。提高电源效率：2.5D 封装中更短的互连和优化的芯片布局可降低功耗，使其适合电池供电的设备。

2.5D封装的应用

2.5D 封装已在各个行业得到应用，包括高性能计算、数据中心和网络设备。它特别适合人工智能 (AI) 加速器，其中多种类型的芯片需要高效地协同工作。

了解 3D 封装

3D 封装通过将多个半导体芯片堆叠在一起，创建三维结构，将集成提升到一个新的水平。这种方法增强了包的整体性能和功能。这会导致更短的互连和更小的封装尺寸。然而，随着芯片深入到真正的 3D-IC 领域（其中逻辑或存储芯片相互堆叠），设计、制造以及最终的良率和测试过程变得更加复杂和具有挑战性。3D 封装领域提供了多种方法来满足不同的要求。有“真正的 3D”封装，其中晶圆错综复杂地堆叠在一起，以实现最大程度的集成。还有另一类“ 3D 片上系统 (SoC) 集成”，可能涉及背面配电层或存储器晶圆彼此堆叠等功能。最后，“3D 系统级封装 (SiP)”涉及约 700 微米的接触间距，并采用扇出晶圆级封装。 这些方法中的每一种都解决了 3D 封装领域内的特定技术需求和挑战。

3D封装的优点

无与伦比的集成：3D 封装允许以最紧凑的方式集成各种组件和功能，从而可以以紧凑的外形尺寸创建高度复杂的系统。改善散热：3D 封装中芯片的垂直排列可实现高效散热，解决与高性能计算相关的热挑战。缩短互连长度：3D 封装进一步缩短互连长度（超过 2.5D），从而最大限度地减少信号延迟和功耗。3D 封装技术的一个非常显著的优势是距离的缩短。在堆叠 3D 结构中，各个组件之间的距离约为 2D 结构中的距离的 0.7。这种距离的减少直接影响系统布线部分的功耗，因为它导致电容减少。因此，现在的功耗大约是 2D 配置中的 0.7 倍。

3D 封装应用

3D 封装在极端性能和小型化至关重要的应用中越来越受欢迎。它通常用于高级内存技术，例如高带宽内存 (HBM) 以及用于高端智能手机、游戏机和专业计算的高级处理器。

比较 2.5D 和 3D 封装

虽然 2.5D 和 3D 封装都具有显著的优势，但它们并不相互排斥，它们的适用性取决于应用的具体要求。2.5D 封装是迈向 3D 封装的垫脚石，可平衡性能和复杂性。当需要中等程度的集成或从传统的 2D 封装过渡到更先进的技术时，通常会选择它。另一方面，3D 封装非常适合需要尖端性能、紧凑性和功效的应用。与 2.5D 相比，如果可能的话，3D 集成在所有讨论的方式上都将始终更加高效，只是复杂性会增加。随着技术的成熟，我们预计 3D 封装将在各个领域变得更加普遍。3D 封装不会取代 2.5D 封装，而是对其进行补充。未来，我们可能会看到一个生态系统，其中小芯片可以在 2.5D 封装中混合和匹配，并为各种应用提供真正的 3D 配置。此外，异构性在 3D 集成中具有显著优势的潜力。异构技术架构，例如将光子集成电路 (IC) 与电子 IC 相结合，可以极大地受益于 3D 集成。在此类集成中，通过任何其他方式可能无法在不显著牺牲功率或性能的情况下实现所需的大量芯片到芯片互连。