先进封装，关注什么？

2024-10-18

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半导体封装已从传统的 1D PCB 设计发展到晶圆级的尖端 3D 混合键合。这一进步允许互连间距在个位数微米范围内，带宽高达 1000 GB/s，同时保持高能效。先进半导体封装技术的核心是 2.5D 封装（其中组件并排放置在中介层上）和 3D 封装（涉及垂直堆叠有源芯片）。这些技术对于 HPC 系统的未来至关重要。

2.5D 封装技术涉及各种中介层材料，每种材料都有各自的优点和缺点。硅 (Si) 中介层包括全无源硅晶圆和局部硅桥，以提供最精细的布线功能而闻名，是高性能计算的理想选择。然而，它们在材料和制造方面成本高昂，并且面临封装面积的限制。为了缓解这些问题，局部硅桥的使用正在增加，在精细功能至关重要的地方战略性地使用硅并解决面积限制问题。

有机中介层采用扇出型模塑料，是一种比硅更具成本效益的替代品。它们的介电常数较低，从而减少了封装中的 RC 延迟。尽管有这些优势，但有机中介层难以实现与硅基封装相同的互连特征减少水平，这限制了它们在高性能计算应用中的采用。

玻璃中介层引起了人们的极大兴趣，尤其是在英特尔最近推出基于玻璃的测试载体封装之后。玻璃具有多种优势，例如可调节的热膨胀系数 (CTE)、高尺寸稳定性、光滑且平坦的表面以及支持面板制造的能力，使其成为具有可与硅媲美的布线功能的中介层的有希望的候选者。然而，除了技术挑战之外，玻璃中介层的主要缺点是生态系统不成熟和目前缺乏大规模生产能力。随着生态系统的成熟和生产能力的提高，半导体封装中的基于玻璃的技术可能会进一步增长和采用。

在 3D 封装技术方面，Cu-Cu 无凸块混合键合正成为一项领先的创新技术。这种先进技术通过将介电材料（如 SiO2）与嵌入式金属（Cu）相结合，实现永久互连。Cu-Cu 混合键合可实现 10 微米以下的间距，通常在个位数微米范围内，这比传统的微凸块技术有了显著的改进，后者的凸块间距约为 40-50 微米。混合键合的优势包括增加 I/O、提高带宽、改善 3D 垂直堆叠、提高功率效率，以及由于没有底部填充而降低寄生效应和热阻。然而，这种技术制造复杂，成本较高。

2.5D与3D封装技术包含各种封装技术，2.5D封装中，根据中介层材料的选择，可分为硅基、有机基、玻璃基中介层，如上图所示。而3D封装中，微凸块技术的发展，目的在于缩小间距尺寸，但如今通过采用混合键合技术（一种直接连接Cu-Cu的方法），已可实现个位数间距尺寸，这标志着该领域取得了重大进展。

值得关注的技术趋势

更大的中介层面积

IDTechEx 此前曾预测，由于硅中介层难以超过 3 倍光罩尺寸的限制，2.5D 硅桥解决方案将很快取代硅中介层，成为封装 HPC 芯片的主要选择。台积电是 NVIDIA 和谷歌、亚马逊等其他主要 HPC 开发商 2.5D 硅中介层的主要供应商，该公司最近宣布大批量生产其第一代 3.5 倍光罩尺寸的 CoWoS_L。IDTechEx 预计这一趋势将持续下去，其涵盖主要参与者的报告中将探讨进一步的进展。

面板级封装

面板级封装已成为一个重要焦点，正如 2024 年台湾国际半导体展所强调的那样。这种封装方法允许使用更大的中介层，并通过同时生产更多封装来帮助降低成本。尽管它具有潜力，但仍需解决翘曲管理等挑战。它日益突出反映了对更大、更具成本效益的中介层的需求日益增长。

玻璃中介层

玻璃正成为实现精细布线的有力候选材料，堪比硅，并具有可调节的热膨胀系数 (CTE) 和更高的可靠性等额外优势。玻璃中介层还与面板级封装兼容，具有以更易于管理的成本实现高密度布线的潜力，使其成为未来封装技术的一个有前途的解决方案。

HBM 混合键合

3D 铜-铜 (Cu-Cu) 混合键合是实现芯片间超细间距垂直互连的关键技术。该技术已用于多种高端服务器产品，包括用于堆叠 SRAM 和 CPU 的 AMD EPYC，以及用于在 I/O 块上堆叠 CPU/GPU 块的 MI300 系列。混合键合预计将在未来 HBM 进步中发挥关键作用，尤其是对于超过 16-Hi 或 20-Hi 层的 DRAM 堆栈。

共封装光学元件 (CPO )

随着对更高数据吞吐量和更高功率效率的需求不断增长，光互连技术已获得相当大的关注。共封装光学器件 (CPO) 正在成为增强 I/O 带宽和降低能耗的关键解决方案。与传统电气传输相比，光通信具有多种优势，包括远距离信号衰减更低、串扰敏感性更低以及带宽显著提高。这些优势使 CPO 成为数据密集型、节能 HPC 系统的理想选择。

值得关注的关键市场

推动 2.5D 和 3D 封装技术发展的主要市场无疑是高性能计算 (HPC) 领域。这些先进的封装方法对于克服摩尔定律的局限性至关重要，可以在单个封装内实现更多的晶体管、内存和互连。芯片的分解还可以实现不同功能块之间工艺节点的最佳利用，例如将 I/O 块与处理块分开，从而进一步提高效率。

除了高性能计算 (HPC)，其他市场也有望通过采用先进的封装技术实现增长。在 5G 和 6G 领域，封装天线和尖端芯片解决方案等创新将塑造无线接入网络 (RAN) 架构的未来。自动驾驶汽车也将受益，因为这些技术支持传感器套件和计算单元的集成，以处理大量数据，同时确保安全性、可靠性、紧凑性、电源和热管理以及成本效益。

消费电子产品（包括智能手机、智能手表、AR/VR 设备、PC 和工作站）虽然更注重成本，但也越来越注重在更小的空间内处理更多数据。先进的半导体封装将在这一趋势中发挥关键作用，尽管封装方法与 HPC 中使用的方法不同。

参考链接

https://www.idtechex.com/en/research-report/advanced-semiconductor-packaging-2025-2035-forecasts-technologies-applications/1042

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