文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：小陳婆婆

本文介紹了三維集成封裝技術(shù)的進展。

三維集成封裝技術(shù)演進

在半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域，堆疊技術(shù)作為推動高集成度與小型化的核心趨勢，正通過垂直堆疊芯片或封裝實現(xiàn)更緊湊的封裝尺寸及優(yōu)化的電氣性能——其驅(qū)動力不僅源于信號傳輸與功率分布路徑的縮短，更體現(xiàn)在對系統(tǒng)級封裝（SiP）與三維集成（3D IC）的深度探索中。

盡管散熱挑戰(zhàn)與制造成本仍是主要瓶頸，但通過硅/芯片積極減薄、垂直互連技術(shù)（如TSV、TGV、TMV及引線鍵合）的創(chuàng)新應(yīng)用，以及通孔形成（濕/干化學(xué)刻蝕、激光鉆孔等）與金屬化（CVD/PVD沉積、電鍍銅等）工藝的優(yōu)化，堆疊封裝正逐步突破技術(shù)限制。

本文分述如下：

多芯片模塊封裝

疊片封裝和疊層封裝

三維集成電路(3D IC)

多芯片模塊封裝

多芯片模塊（MCM）作為早期高集成度封裝的典范，通過將多個半導(dǎo)體芯片與無源元件集成于統(tǒng)一基板，形成單一封裝體，實現(xiàn)了體積縮減與電氣性能的雙重優(yōu)化，其起源可追溯至半導(dǎo)體封裝對鄰近部件間電氣路徑縮短的需求驅(qū)動?；诨寮夹g(shù)，MCM分為MCM-L（層壓基板）、MCM-D（沉積基板）和MCM-C（陶瓷基板）三類。

早期代表如Intel奔騰Pro的陶瓷多芯片組件，通過雙空腔結(jié)構(gòu)集成微處理器與高速緩存芯片，配合多層金線鍵合與外置散熱器設(shè)計，在512KB二級緩存場景下驗證了散熱與電氣互連的可行性。相較于傳統(tǒng)分立封裝，MCM的優(yōu)勢顯著：封裝體積縮小、開發(fā)周期縮短、設(shè)計錯誤率降低、物料清單簡化，并通過減少PCB層數(shù)、批量采購組件及提升裝配效率，實現(xiàn)系統(tǒng)成本優(yōu)化——以Acme Systems的FOX Board嵌入式系統(tǒng)為例，其ETRAX100LX MCM4+16模塊集成CPU、4MB閃存、16MB SDRAM及以太網(wǎng)收發(fā)器等組件，采用256引腳PBGA封裝，尺寸27mm×27mm×2.76mm。

在保持與純CPU封裝相同占地面積的同時，通過高密度互連（HDI）基板技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)級功能整合，僅需外置3.3V電源與晶體振蕩器即可構(gòu)建全功能Linux計算機，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)關(guān)、門禁及工業(yè)控制器領(lǐng)域。當(dāng)前，MCM技術(shù)正與先進封裝趨勢深度融合，例如在高性能計算（HPC）芯片中采用硅基板與混合鍵合技術(shù)實現(xiàn)亞微米級互連密度，結(jié)合嵌入式液冷通道與石墨烯散熱材料提升熱管理能力；在5G通信模塊中，通過有機基板與微凸點技術(shù)實現(xiàn)射頻前端與基帶芯片的垂直集成，降低信號延遲并提升功率效率。

這些創(chuàng)新不僅延續(xù)了MCM在系統(tǒng)小型化與性能優(yōu)化上的核心價值，更通過新材料與新工藝的引入，拓展了其在人工智能、自動駕駛等新興領(lǐng)域的應(yīng)用邊界，持續(xù)推動半導(dǎo)體封裝向更高集成度、更低損耗的智能集成方向發(fā)展。

疊片封裝和疊層封裝

在半導(dǎo)體封裝技術(shù)演進路徑中，疊片封裝與疊層封裝作為實現(xiàn)高集成度與空間優(yōu)化的核心手段，正通過工藝創(chuàng)新與材料突破持續(xù)拓展應(yīng)用邊界。早期芯片堆疊多芯片模塊（MCM）以金絲鍵合技術(shù)為基石，依托晶圓減薄至25μm級、超薄硅芯片處理、低輪廓反向引線鍵合及低拉絲樹脂注入等工藝，在DRAM存儲器模塊中實現(xiàn)多芯片垂直堆疊——典型如2007年量產(chǎn)的20芯片堆疊MCP，整體封裝高度僅1.4mm，顯著提升了存儲密度。

然而，該技術(shù)面臨層間間隙控制、導(dǎo)線間距精度及故障成本高等挑戰(zhàn)：層間需預(yù)留空間避免導(dǎo)線短路，基板需數(shù)百微米水平間距容納導(dǎo)線，且單根導(dǎo)線失效可能導(dǎo)致整個模塊報廢，對工藝精度與良率提出嚴(yán)苛要求。為突破傳統(tǒng)金絲鍵合限制，行業(yè)探索了混合堆疊方案，如結(jié)合倒裝芯片與引線鍵合的復(fù)合結(jié)構(gòu)，但消費電子領(lǐng)域?qū)Τ杀九c性能的平衡需求使其在批量生產(chǎn)中應(yīng)用受限。

與此同時，疊層封裝技術(shù)（PoP）通過將成品封裝垂直堆疊，有效規(guī)避了堆疊芯片封裝中的已知良好芯片（KGD）驗證、工藝損傷及混合邏輯-存儲器SiP組裝測試復(fù)雜度等問題，早期代表如Tessera開發(fā)的uZTM球形PoP，在DRAM模塊中驗證了其空間節(jié)省與良率優(yōu)勢。PoP的典型配置包括純內(nèi)存堆疊與混合邏輯-內(nèi)存堆疊（底部為邏輯芯片如CPU，頂部為存儲器），后者因邏輯芯片需更多BGA連接而采用底部布局。在工藝優(yōu)化方面，底部封裝采用倒裝芯片技術(shù)可釋放X/Y方向空間，避免引線鍵合所需的隔離區(qū)域，配合下填充材料提升可靠性，同時降低頂部與底部封裝間的間隙高度，支持更小焊球與更緊密互連間距，從而實現(xiàn)對整體封裝高度的精準(zhǔn)控制，該方案在移動電子設(shè)備中已廣泛應(yīng)用，如Apple A7微處理器與內(nèi)存的PoP堆棧。

當(dāng)前，疊片與疊層封裝技術(shù)正與前沿創(chuàng)新深度融合：3D堆疊技術(shù)如硅通孔（TSV）與混合鍵合（銅-銅直接鍵合）的應(yīng)用，顯著提升了互連密度與電氣性能；高密度互連（HDI）基板與有機基板的引入，結(jié)合人工智能驅(qū)動的布局布線優(yōu)化算法，進一步提高了PoP的信號完整性與良率；新型材料如碳納米管、石墨烯在堆疊結(jié)構(gòu)中的集成，不僅增強了導(dǎo)電性與熱管理能力，還為高頻、高功率場景下的性能提升提供了新路徑。這些進展持續(xù)推動著疊片與疊層封裝向更高集成度、更低損耗、更優(yōu)熱管理的方向發(fā)展，在5G通信、人工智能計算、自動駕駛等新興領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

三維集成電路(3D IC)

三維集成電路（3D IC）作為芯片級集成的終極形態(tài)，通過垂直與水平方向的多層有源電子元件集成，推動半導(dǎo)體技術(shù)向更高密度、更低功耗演進。

其核心構(gòu)建路徑分為單片3D IC與TSV 3D IC兩大體系：單片3D IC依托單晶圓分層制造技術(shù)，通過離子切割與氫注入實現(xiàn)薄硅層轉(zhuǎn)移，結(jié)合高溫（>800℃）與低溫（<400℃）雙階段工藝，在基板晶圓頂部形成多層無缺陷硅層，完成晶體管布線與層間連接，無需硅通孔即可實現(xiàn)有源層零間隙集成，該技術(shù)由DARPA資助的斯坦福大學(xué)研究團隊及Monolithic 3D公司推進，已在SOI晶圓生產(chǎn)中驗證其可行性；TSV 3D IC則通過晶圓堆疊（WoW）、芯片-晶圓堆疊（CoW）及芯片-芯片堆疊（CoC）三種工藝實現(xiàn)垂直互連——WoW需在獨立晶圓上預(yù)制組件層后鍵合切割，面臨晶圓尺寸匹配與缺陷導(dǎo)致的成品率挑戰(zhàn)；CoW與CoC通過已知良好芯片（KGD）堆疊優(yōu)化產(chǎn)量，支持混合匹配以適配移動設(shè)備等場景的功耗性能需求。當(dāng)前，TSV技術(shù)已突破金屬-金屬直接鍵合瓶頸，配合銅互連與硅通孔微凸點，實現(xiàn)亞微米級互連密度，在高性能計算（HPC）芯片中驗證了信號延遲降低與熱管理提升的實效。

同時，3D IC正與硅光子集成、碳納米管導(dǎo)熱材料等前沿技術(shù)融合，例如在光通信模塊中實現(xiàn)光電協(xié)同集成，或在人工智能加速器中通過3D堆疊提升內(nèi)存帶寬與計算效率。這些創(chuàng)新不僅延續(xù)了3D IC在系統(tǒng)集成與性能優(yōu)化上的核心價值，更通過新材料與新工藝的引入，拓展了其在自動駕駛、量子計算等新興領(lǐng)域的應(yīng)用邊界，持續(xù)推動半導(dǎo)體封裝向更高集成度、更低損耗的智能集成方向發(fā)展。