半導(dǎo)體封裝已從傳統(tǒng)的 1D PCB 設(shè)計發(fā)展到晶圓級的尖端 3D 混合鍵合。這一進(jìn)步允許互連間距在個位數(shù)微米范圍內(nèi)，帶寬高達(dá) 1000 GB/s，同時保持高能效。先進(jìn)半導(dǎo)體封裝技術(shù)的核心是 2.5D 封裝（其中組件并排放置在中介層上）和 3D 封裝（涉及垂直堆疊有源芯片）。這些技術(shù)對于 HPC 系統(tǒng)的未來至關(guān)重要。

2.5D 封裝技術(shù)涉及各種中介層材料，每種材料都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。硅 (Si) 中介層包括全無源硅晶圓和局部硅橋，以提供最精細(xì)的布線功能而聞名，是高性能計算的理想選擇。然而，它們在材料和制造方面成本高昂，并且面臨封裝面積的限制。為了緩解這些問題，局部硅橋的使用正在增加，在精細(xì)功能至關(guān)重要的地方戰(zhàn)略性地使用硅并解決面積限制問題。

有機(jī)中介層采用扇出型模塑料，是一種比硅更具成本效益的替代品。它們的介電常數(shù)較低，從而減少了封裝中的 RC 延遲。盡管有這些優(yōu)勢，但有機(jī)中介層難以實現(xiàn)與硅基封裝相同的互連特征減少水平，這限制了它們在高性能計算應(yīng)用中的采用。

玻璃中介層引起了人們的極大興趣，尤其是在英特爾最近推出基于玻璃的測試載體封裝之后。玻璃具有多種優(yōu)勢，例如可調(diào)節(jié)的熱膨脹系數(shù) (CTE)、高尺寸穩(wěn)定性、光滑且平坦的表面以及支持面板制造的能力，使其成為具有可與硅媲美的布線功能的中介層的有希望的候選者。然而，除了技術(shù)挑戰(zhàn)之外，玻璃中介層的主要缺點(diǎn)是生態(tài)系統(tǒng)不成熟和目前缺乏大規(guī)模生產(chǎn)能力。隨著生態(tài)系統(tǒng)的成熟和生產(chǎn)能力的提高，半導(dǎo)體封裝中的基于玻璃的技術(shù)可能會進(jìn)一步增長和采用。

在 3D 封裝技術(shù)方面，Cu-Cu 無凸塊混合鍵合正成為一項領(lǐng)先的創(chuàng)新技術(shù)。這種先進(jìn)技術(shù)通過將介電材料（如 SiO2）與嵌入式金屬（Cu）相結(jié)合，實現(xiàn)永久互連。Cu-Cu 混合鍵合可實現(xiàn) 10 微米以下的間距，通常在個位數(shù)微米范圍內(nèi)，這比傳統(tǒng)的微凸塊技術(shù)有了顯著的改進(jìn)，后者的凸塊間距約為 40-50 微米?；旌湘I合的優(yōu)勢包括增加 I/O、提高帶寬、改善 3D 垂直堆疊、提高功率效率，以及由于沒有底部填充而降低寄生效應(yīng)和熱阻。然而，這種技術(shù)制造復(fù)雜，成本較高。

2.5D與3D封裝技術(shù)包含各種封裝技術(shù)，2.5D封裝中，根據(jù)中介層材料的選擇，可分為硅基、有機(jī)基、玻璃基中介層，如上圖所示。而3D封裝中，微凸塊技術(shù)的發(fā)展，目的在于縮小間距尺寸，但如今通過采用混合鍵合技術(shù)（一種直接連接Cu-Cu的方法），已可實現(xiàn)個位數(shù)間距尺寸，這標(biāo)志著該領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展。

值得關(guān)注的技術(shù)趨勢

1更大的中介層面積

IDTechEx 此前曾預(yù)測，由于硅中介層難以超過 3 倍光罩尺寸的限制，2.5D 硅橋解決方案將很快取代硅中介層，成為封裝 HPC 芯片的主要選擇。臺積電是 NVIDIA 和谷歌、亞馬遜等其他主要 HPC 開發(fā)商 2.5D 硅中介層的主要供應(yīng)商，該公司最近宣布大批量生產(chǎn)其第一代 3.5 倍光罩尺寸的 CoWoS_L。IDTechEx 預(yù)計這一趨勢將持續(xù)下去，其涵蓋主要參與者的報告中將探討進(jìn)一步的進(jìn)展。

2面板級封裝

面板級封裝已成為一個重要焦點(diǎn)，正如 2024 年臺灣國際半導(dǎo)體展所強(qiáng)調(diào)的那樣。這種封裝方法允許使用更大的中介層，并通過同時生產(chǎn)更多封裝來幫助降低成本。盡管它具有潛力，但仍需解決翹曲管理等挑戰(zhàn)。它日益突出反映了對更大、更具成本效益的中介層的需求日益增長。

3玻璃中介層

玻璃正成為實現(xiàn)精細(xì)布線的有力候選材料，堪比硅，并具有可調(diào)節(jié)的熱膨脹系數(shù) (CTE) 和更高的可靠性等額外優(yōu)勢。玻璃中介層還與面板級封裝兼容，具有以更易于管理的成本實現(xiàn)高密度布線的潛力，使其成為未來封裝技術(shù)的一個有前途的解決方案。

4HBM 混合鍵合

3D 銅-銅 (Cu-Cu) 混合鍵合是實現(xiàn)芯片間超細(xì)間距垂直互連的關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)已用于多種高端服務(wù)器產(chǎn)品，包括用于堆疊 SRAM 和 CPU 的 AMD EPYC，以及用于在 I/O 塊上堆疊 CPU/GPU 塊的 MI300 系列?；旌湘I合預(yù)計將在未來 HBM 進(jìn)步中發(fā)揮關(guān)鍵作用，尤其是對于超過 16-Hi 或 20-Hi 層的 DRAM 堆棧。

5共封裝光學(xué)元件 (CPO )

隨著對更高數(shù)據(jù)吞吐量和更高功率效率的需求不斷增長，光互連技術(shù)已獲得相當(dāng)大的關(guān)注。共封裝光學(xué)器件 (CPO) 正在成為增強(qiáng) I/O 帶寬和降低能耗的關(guān)鍵解決方案。與傳統(tǒng)電氣傳輸相比，光通信具有多種優(yōu)勢，包括遠(yuǎn)距離信號衰減更低、串?dāng)_敏感性更低以及帶寬顯著提高。這些優(yōu)勢使 CPO 成為數(shù)據(jù)密集型、節(jié)能 HPC 系統(tǒng)的理想選擇。

值得關(guān)注的關(guān)鍵市場

推動 2.5D 和 3D 封裝技術(shù)發(fā)展的主要市場無疑是高性能計算 (HPC) 領(lǐng)域。這些先進(jìn)的封裝方法對于克服摩爾定律的局限性至關(guān)重要，可以在單個封裝內(nèi)實現(xiàn)更多的晶體管、內(nèi)存和互連。芯片的分解還可以實現(xiàn)不同功能塊之間工藝節(jié)點(diǎn)的最佳利用，例如將 I/O 塊與處理塊分開，從而進(jìn)一步提高效率。

除了高性能計算 (HPC)，其他市場也有望通過采用先進(jìn)的封裝技術(shù)實現(xiàn)增長。在 5G 和 6G 領(lǐng)域，封裝天線和尖端芯片解決方案等創(chuàng)新將塑造無線接入網(wǎng)絡(luò) (RAN) 架構(gòu)的未來。自動駕駛汽車也將受益，因為這些技術(shù)支持傳感器套件和計算單元的集成，以處理大量數(shù)據(jù)，同時確保安全性、可靠性、緊湊性、電源和熱管理以及成本效益。

消費(fèi)電子產(chǎn)品（包括智能手機(jī)、智能手表、AR/VR 設(shè)備、PC 和工作站）雖然更注重成本，但也越來越注重在更小的空間內(nèi)處理更多數(shù)據(jù)。先進(jìn)的半導(dǎo)體封裝將在這一趨勢中發(fā)揮關(guān)鍵作用，盡管封裝方法與 HPC 中使用的方法不同。