面向高性能計算機、人工智能、無人系統(tǒng)對電子芯片高性能、高集成度的需求，以 2.5D、3D 集成技術(shù)為代表的先進封裝集成技術(shù)，不僅打破了當前集成芯片良率降低、成本驟升的困境，也是實現(xiàn)多種類型、多種材質(zhì)、多種功能芯粒集成的重要手段。2.5D/3D 集成技術(shù)正快速發(fā)展，集成方案與集成技術(shù)日新月異。

本期借助771所王根旺博士等人關(guān)于“多芯粒 2.5D/3D 集成技術(shù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀”綜述，分享多芯粒2.5D/3D集成技術(shù)研究現(xiàn)狀。下期將分享多芯粒2.5D/3D集成技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。

按照芯粒間電學互連的空間維度，多芯粒集成可分為 2D、2.1D、2.3D、2.5D、3D 集成技術(shù)，如下圖所示。2D集成是將多個芯粒焊接至封裝基板上，利用封裝基板上的電路實現(xiàn)芯粒之間水平方向上的電學互連。2.1D集成則是在芯粒與封裝基板之間多了RDL層。該層具有密度相對較高的互連線，并可嵌入硅基轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)以滿足高密度互連與較好的信號傳輸能力的需求。2.3D與 2.5D 技術(shù)則在芯粒與封裝基底之間加入一層無源的中介層(interposer，或稱轉(zhuǎn)接板、轉(zhuǎn)接基板等)。前者采用有機中介層，后者則是是使用基于TSV的硅中介層。無源中介層的主要功能是實現(xiàn)多個芯粒在水平方向的高密度互連以及芯粒與封裝基板在垂直方向上的互連。3D封裝技術(shù)則是利用有源的 TSV 中介層，或直接在芯粒上制備 TSV、互連微凸點與 RDL等結(jié)構(gòu)，通過等回流焊接、熱壓焊接、鍵合連接等方式實現(xiàn)有源芯粒在垂直方向上的堆疊集成。另外，隨著異質(zhì)異構(gòu)芯片集成的需求的出現(xiàn)，2.5D、3D集成已不再局限于TSV 技術(shù)，基于玻璃、陶瓷等材料的集成技術(shù)也在不斷發(fā)展。在一些粗略分類中，2.1D、2.3D、2.5D 技術(shù)也被統(tǒng)稱為 2.5D 技術(shù)。

（1）2.5D 封裝集成技術(shù)

2.5D 封裝集成技術(shù)的RDL、有機中介層、TSV 中介層上均可制備密度較高、性能優(yōu)異的互連線，因此可以實現(xiàn)不同類型、不同制程的芯粒在水平方向上的高密度集成，不僅提高了集成芯片工藝良率，降低了集成芯片成本與能耗，也是實現(xiàn)多種功能芯粒集成的重要手段。目前，2.5D技術(shù)的典型代表有英特爾的嵌入式多芯片互連橋(EMIB)技術(shù)、臺積電的 CoWoS技術(shù)（下圖為 CoWoS-L結(jié)構(gòu)）、三星的 I-Cube 等。

（2）3D 封裝集成技術(shù)

在面臨 2.5D 中介層尺寸增大、信號傳輸能力提高存在瓶頸時，能夠在垂直方向進行芯粒堆疊集成的 3D 封裝集成技術(shù)成為了進一步提高集成密度的重要手段。3D集成的關(guān)鍵是需要在有源芯粒或中介層上制造互連通孔，然后對芯粒進行堆疊與垂直電互連。目前，最先進的3D集成技術(shù)有英特爾的 Foveros、臺積電的 SoIC、AMD 的 3D V-chache、三星的 X-Cube 等。

目前，F(xiàn)overos的互連節(jié)距可到 36-50μm，有望實現(xiàn)較高密度的集成，同時集成芯片具有較好的可靠性與信號傳輸能力。然而，TSV的大量使用會導致傳輸損耗增加、帶寬減小，互連凸點的尺寸難以繼續(xù)縮小也限制了集成密度的提高。因此，英特爾提出了Foveros Omni與 Foveros Direct技術(shù)。Foveros Omni采用一種全方向?qū)娱g互連技術(shù)(ODI)，如下圖所示。

臺積電的 SoIC 技術(shù)也采用 TSV、HB等技術(shù)，以實現(xiàn) 10 μm 以下互連間距的高密度 3D 集成，并具有較高的帶寬、較低的功耗以及優(yōu)異的電源與信號完整性。研究表明，與其他封裝技術(shù)相比，SoIC可以將互連密度提高16倍，帶寬密度提高 191 倍，能耗降低 95 %。為進一步提高互連密度，第四代SoIC技術(shù)的互連節(jié)距可以小至3 μm，第五代技術(shù)有望減小至2μm。SoIC 技術(shù)關(guān)鍵指標的提升如下表所示。另外，臺積電也提出了更高互連密度的 SoIC-UHD技術(shù)，有望將互連節(jié)距降低至 0.9μm。

（3）多基材集成技術(shù)

在 2.5D、3D 集成技術(shù)不斷發(fā)展的同時，硅基集成技術(shù)在材料豐富程度、工藝成本、功能多樣性等方面的先天短板也日益明顯。玻璃、陶瓷等材料成為了進一步豐富封裝結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)多功能芯片集成的關(guān)鍵。佐治亞理工學院提出了采用玻璃中介層可有效減小信號傳輸損耗、降低成本，同時通過調(diào)控玻璃的熱膨脹系數(shù)等特性可以解決硅芯粒與基板之間直接互連的可靠性問題，降低封裝成本。下圖為LPKF公司激光誘導刻蝕技術(shù)加工的小尺寸TGV、大尺寸填埋槽以及多種圖形的玻璃刻蝕。

陶瓷材料具有耐高溫、耐腐蝕、氣密性好、成本低等特點，是封裝技術(shù)中必不可少的關(guān)鍵材料。由于陶瓷材料具有可調(diào)的膨脹系數(shù)，因此陶瓷材料多用于封裝基板中，以提高芯片、封裝基板、PCB 的整體可靠性。另一方面，隨著高性能、一體化集成芯片的需求不多增加，散熱問題成為了產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵。高導熱率的陶瓷材料為高性能散熱提供了技術(shù)手段。然而，受限于陶瓷通孔(through ceramic via,TCV)制備精度、再布線密度等，陶瓷基板難以實現(xiàn)芯粒間的高密度互連，在 2.5D、3D 集成中的應(yīng)用較為局限。直徑100μm 以下的 TCV制備成為未來陶瓷基 2.5D、3D 集成的關(guān)鍵難題。