浅谈一下芯片2.5D/3D封装材料

格物成器

伴随半导体先进制程纷纷迈入了7 纳米和5 纳米以及现在开始向3 纳米和2 纳米迈进，电晶体大小也因此不断接近原子的物理体积限制，电子及物理的限制也让先进制程的持续微缩与升级难度越来越高。 也因此，半导体产业除了持续发展先进制程之外，也逐渐地开始找寻其他既能让芯片维持小体积，同时又保有高效能的方式。而芯片的布局设计，遂成为延续摩尔定律的新解方，异构整合概念便应运而生，同时成为IC 芯片的创新动能。
一、异构整合

<hr/>异构整合指将两种不同制程、不同性质的芯片通过封装和堆叠技术等整合在一起。 因为应用市场多元化，产品的成本、性能和目标族群不同，因此所需的异构整合技术也不尽相同，市场分众化的趋势以及现今热门的封装技术如雨后春笋般浮现。


二、电子集成分类

<hr/>电子集成技术分为三个层次：芯片上的集成、封装内的集成和PCB板级集成，其代表技术分别为SoC，SiP和PCB。芯片上的集成主要以2D为主，晶体管以平铺的形式集成于晶圆平面，同样，PCB上的集成也是以2D为主，电子元器件平铺安装在PCB表面，因此，二者都属于2D集成。而针对于封装内的集成，情况就要复杂的多，人们通常通过物理结构和电气连接将电子集成分为5类：2D、2D+、2.5D、3D和4D等。


1、2D

2D 集成是指在基板的表面水平安装所有芯片和无源器件的集成方式。所有芯片和无源器件均安装在基板平面，芯片和无源器件和 XY 平面直接接触，基板上的布线和过孔均位于 XY 平面下方，电气连接需要通过基板（除了极少数通过键合线直接连接的键合点）。



2D集成示意图

2、2D+

2D+集成是指芯片堆叠，通过键合线连接堆叠芯片的集成方式。所有芯片和无源器件均地位于XY平面上方，部分芯片不直接接触基板，基板上的布线和过孔均位于XY平面下方，电气连接需要通过基板（除了极少数通过键合线直接连接的键合点）。
下图所示几种集成均属于2D+集成。



2D+集成示意图



2D+集成示意图



2D+集成示意图

3、2.5D

2.5D集成是指在中介层上进行布线和打孔的集成方式。所有芯片和无源器件均XY平面上方，至少有部分芯片和无源器件安装在中介层上，在XY平面的上方有中介层的布线和过孔，在XY平面的下方有基板的布线和过孔，电气连接需要通过中介层。



有TSV的2.5D集成示意图



无TSV的2.5D集成示意图

4、3D

3D集成是指芯片堆叠，在芯片上打孔（TSV）和布线（RDL）的集成方式。所有芯片和无源器件均位于XY平面上方，芯片堆叠在一起，在XY平面的上方有穿过芯片的TSV，在XY平面的下方有基板的布线和过孔。电气连接均需要通过TSV和RDL。



同类型芯片3D集成示意图



不同类型芯片3D集成示意图

5、4D

4D集成是指基板产生折叠或者多块基板非平行组合安装的集成方式，因此4D集成包含2D、2D+、2.5D和3D等集成方式。当不同基板所处的XY平面并不平行，多块基板以非平行方式安装，每块基板上都安装有元器件，元器件安装方式多样化，电气连接需要基板之间通过柔性电路或者焊接等。



刚柔基板4D集成示意图



陶瓷4D集成示意图

三、2.5D/3D封装的优/缺点

<hr/>2.5D封装第一次走入大众视野应该是AMD的15年发布的的fury显卡，配合了4GB HBM显存，此后，2.5D封装常常与HBM捆绑，频频出现在显卡、ASIC和FPGA上。2.5D封装主要是将处理器、记忆体或是其他的芯片并列排在矽中介板上，先经由微凸块连接，让矽中介板之内金属线可连接不同芯片的电子讯号，然后通过矽穿孔（TSV）来连接下方的金属凸块，最后经由导线载板连结外部金属球，实现芯片、芯片与封装基板之间更紧密的互连。
3D 封装主要是在芯片上制作电晶体结构，并且直接使用矽穿孔来连结上下不同芯片的电子讯号，以直接将记忆体或其他芯片垂直堆叠在上面。此项封装最大的技术挑战便是，要在芯片内直接制作矽穿孔困难度极高，不过，由于高效能运算、人工智能等应用兴起，加上TSV 技术愈来愈成熟，可以看到越来越多的CPU、GPU 和记忆体开始采用3D 封装。
1、优点

比较2.5D/3D封装，2.5D 封装的中介层可在成熟的低损耗封装结构中实现高密度互连，提供更高效的散热和更快的处理速度。3D 封装互连（包括硅分割）是通过独特的面对面键合方式实现，无需成本更高的 TSV 互连，其电阻更低，电力传输更稳定，同时还能实现高带宽的 3D 集成，为主动元件释放了更多的面积，优化裸片尺寸等 。基于中介层也简化了材料供应链，降低了整体成本。
2、缺点

2.5D/3D IC封装提供更高集成度的同时，也引入了非常多的挑战。布线尺寸的减小增加了互连线之间的干扰，芯片间距的缩小增加了相互干扰，发热将会成为约束系统的关键问题，必须对热进行合理的规划和管理，多芯片的堆叠也增加了应力开裂的风险。
四、头部企业3D封装发展与布局

<hr/>目前台积电和英特尔积极发展与布局3D 封装技术，在3D 封装上，英特尔和台积电各领风骚。


1、英特尔

英特尔采用的是「Foveros」的3D 封装技术，使用异构堆叠逻辑处理运算，可以把各个逻辑芯片堆栈一起。也就是说，首度把芯片堆叠从传统的被动矽中介层与堆叠记忆体，扩展到高效能逻辑产品，如CPU、绘图与AI 处理器等。以往仅用于记忆体，现在采用异构堆叠，让记忆体及运算芯片能以不同组合堆叠。
此外，英特尔还推出2 项全新技术，分别为Co-EMIB和ODI 。
（1）Co-EMIB 能连接更高的运算性能和能力，并能够让两个或多个Foveros 元件互连，设计人员还能够以非常高的频宽和非常低的功耗连接模拟器、记忆体和其他模组。
（2）ODI 技术则为封装中小芯片之间的全方位互连通讯提供了更大的灵活性。顶部芯片可以像EMIB 技术一样与其他小芯片进行通讯，同时还可以像Foveros 技术一样，通过矽通孔（TSV）与下面的底部裸片进行垂直通讯。


2、台积电

台积电则是提出「3D 多芯片与系统整合芯片」（SoIC）的整合方案。此项系统整合芯片解决方案将不同尺寸、制程技术，以及材料的已知良好裸晶直接堆叠在一起。相较于传统使用微凸块的3D 积体电路解决方案，此一系统整合芯片的凸块密度与速度高出数倍，同时大幅减少功耗。此外，系统整合芯片是前段制程整合解决方案，在封装之前连结两个或更多的裸晶，因此，系统整合芯片组能够利用该公司的InFO 或CoWoS 的后端先进封装技术来进一步整合其他芯片，打造一个强大的「3D×3D」系统级解决方案。
此外，台积电亦推出3DFabric，将快速成长的3DIC 系统整合解决方案统合起来，提供更好的灵活性，透过稳固的芯片互连打造出强大的系统。由不同的选项进行前段芯片堆叠与后段封装，3DFabric 协助客户将多个逻辑芯片连结在一起，甚至串联高频宽记忆体（HBM）或异构小芯片，例如类比、输入/输出，以及射频模组。3DFabric 能够结合后段3D 与前段3D 技术的解决方案，并能与电晶体微缩互补，持续提升系统效能与功能性，缩小尺寸外观，并且加快产品上市时程。
五、芯片2.5D/3D封装材料

<hr/>对2.5D/3D IC高性能先进封装的设计挑战，苏州蕞达科技有限公司提供了从芯片、封装、PCB、系统级的多物理层封装材料，涉及电磁、电热、应力多个解决方案。蕞达公司一站式解决方案以及相应的封装材料，为2.5D/3D IC的产品设计提供了强有力的支撑。
1、电磁屏蔽封装材料

在2.5D/3D IC高性能先进封装过程中，要求从对芯片、封装和电路板孤立分析的解决方案向更加系统化全面分析的CPS多物理场解决方案转变。随着封装空间的不断压缩，封装材料必须有效的去考虑系统和芯片的影响，站在整个CPS (Chip + Package+ System) 的完整链条上去考虑封装材料参数的设计和优化。2.5D/3D IC通过Interposer实现高密度的互联以及Interposer上的高速布线，需要考虑和避免各个模块之间的干扰破坏。针对芯片2.5D/3D IC高性能先进封装要求，蕞达公司推出三款电磁屏蔽封装材料ZUIDA EP5030、EP5032和EP5841,详细参数如下图所示。


2、热管理封装材料

在2.5D/3D IC通过Interposer实现高密度的互联过程中，热对电性能的影响将变得更加严重，封装作为载体，需要考虑如果为IC提供散热通道，同时热也会影响封装上电性能的传输，电的传输也是产生热的一个源头，电热耦合设计不可避免。 针对芯片2.5D/3D IC高性能先进封装要求，蕞达公司推出三款热管理封装材料ZUIDA EP5700、EP5491和EP5860，详细参数如下图所示。


3、低应力封装材料

在2.5D/3D IC高性能先进封装过程中，高功率密度、高温环节、多颗Die的聚合和多种材料的接触等，不可避免的会产生热应力问题，甚至造成产品失效，热和应力的耦合也变得非常重要。 2.5D/3D IC先进封装设计必须全面考虑芯片、封装、PCB和系统的影响，同时在电、热和应力之间找到一个合适的平衡点。针对芯片2.5D/3D IC高性能先进封装要求，蕞达公司推出四款低应力封装材料ZUIDA EP5035、EP5033、EP5173和EP5531,详细参数如下图所示。


注意：除特别说明，上述参数均为参考值而非最高规格，如果您对此存在疑问，请联系小李子。


蕞达科技有限公司是一家材料产品创新与可持续化公司，公司愿景就是黏结现在与未来，主要专注于摄像头模组、光通讯器件和平板显示三大业务封装材料和场景应用领域。蕞达科技（苏州）有限公司依托技术矩阵和应用集合，根据客户需求，可持续化开发和快速提供先进的封装材料解决方案。蕞达的产品矩阵肩负着打通端到端产品业务闭环的重任，我们充满希望为中国制造和产业升级添一块砖或者加一滴胶。