半導體芯片封裝的重要性、傳統和先進技術以及該領域的未來趨勢。

半導體芯片封裝是指半導體器件的保護外殼。該保護殼可保護電路免受腐蝕和物理傷害，同時還便于連接電氣連接以將其與印刷電路板 (PCB) 連接。在這里，我們探討了半導體芯片封裝的重要性、傳統和先進技術以及該領域的未來趨勢。

半導體芯片封裝：傳統技術和先進技術

半導體芯片封裝的重要性

半導體芯片封裝是半導體器件生產過程的最后階段。在此關鍵時刻，半導體塊會覆蓋一層保護層，保護集成電路 (IC) 免受潛在的外部危險和時間的腐蝕影響。這種封裝本質上充當保護外殼，屏蔽 IC 塊并促進負責將信號傳輸到電子設備電路板的電氣連接。

在技術不斷進步以及電子設備薄型化和小型化不斷發展的背景下，對半導體封裝的需求不斷增加。新一代封裝預計將提供更高的密度、多層功能和薄型設計，以滿足高速、高度集成和低功耗 IC 的需求。

重要的傳統封裝技術

20 世紀 50 年代開發的引線鍵合技術和 90 年代中期推出的倒裝芯片技術是當今仍在使用的傳統封裝技術。引線鍵合技術采用焊球和細金屬線將印刷電路板 (PCB) 連接到硅芯片。雖然它需要更少的空間并提供更長距離的連接，但它對環境條件很敏感，并且制造速度相對較慢。

另一方面，倒裝芯片使用焊料凸塊將 PCB 直接粘合到硅芯片的整個表面，從而實現更小的外形尺寸和更快的信號傳播。然而，它們需要平坦的表面來安裝，并且更換起來可能具有挑戰性。這種方法具有多種優點，包括改進的電氣性能、更好的散熱性和減小的封裝尺寸。

陶瓷和塑料封裝是用于半導體器件的重要封裝材料。陶瓷封裝具有出色的熱性能和耐用性，適合高功率和高頻應用。另一方面，塑料封裝具有成本效益，廣泛應用于消費電子產品和集成電路。

先進半導體封裝技術

先進封裝領域出現了多種尖端技術，每種技術都具有獨特的優勢，可以滿足現代技術日益增長的需求。

2.5D 封裝涉及并排堆疊兩個或多個芯片，并通過中介層連接它們。這種方法通過促進芯片之間更快的數據傳輸來提高性能和功率效率。

3D 封裝使用兩種主要方法將多個芯片放置在彼此的頂部：具有微凸塊的硅通孔 (TSV) 和無凸塊混合鍵合。前者涉及通過硅芯片或晶圓的垂直電連接，而后者則利用介電鍵合和嵌入式金屬。3D 堆疊增強了內存和處理能力，使其適用于數據中心服務器、圖形加速器和網絡設備。

扇出封裝將連接和焊球重新分布到芯片邊緣之外，從而實現更小的外形尺寸和改進的熱管理。扇出封裝因其緊湊的尺寸和耐熱性而廣泛應用于移動應用，使其成為半導體市場的關鍵參與者。

半導體芯片封裝的其他即將出現的趨勢

近年來，在對更小、更快、更高效的電子設備的不懈需求的推動下，半導體芯片封裝取得了顯著的進步。一些值得注意的創新包括：

2.5D 與 3D 封裝

2.5D 和 3D 半導體封裝技術對于電子設備性能至關重要。這兩種解決方案都不同程度地增強了性能、減小了尺寸并提高了能效。2.5D 封裝有利于組合各種組件并減少占地面積。它適合高性能計算和人工智能加速器中的應用。3D 封裝提供無與倫比的集成度、高效散熱并縮短互連長度，使其成為高性能應用的理想選擇。

在快節奏的半導體技術領域，封裝在決定電子設備的性能、尺寸和功率效率方面發揮著至關重要的作用。2.5D 和 3D 封裝這兩種著名的封裝技術已成為突出的解決方案。每種技術都具有獨特的優勢和挑戰，是半導體制造商和設計人員必須考慮的因素。

我們將探討 2.5D 和 3D 封裝的差異和應用，以及它們如何徹底改變半導體格局。

了解 2.5D 封裝

2.5D封裝，也稱為2.5D中介層技術，是傳統2D封裝和成熟的3D封裝之間的中間步驟。在 2.5D 封裝中，通常采用不同工藝技術的多個半導體芯片并排放置在硅中介層上。中介層充當橋梁，連接各個芯片并提供高速通信接口。這種布置允許在單個封裝上組合不同功能時具有更大的靈活性。

最流行的 2.5D 集成技術涉及將硅中介層與 TSV 相結合。在此配置中，芯片通常使用 MicroBump 技術連接到中介層。用作內插器的硅基板通過凸塊連接連接至基板。硅襯底的表面使用重新分布層（RDL）布線互連，而TSV充當硅襯底的上表面和下表面之間的電連接的導管。

這種2.5D集成形式非常適合芯片尺寸較大、管腳密度要求較高的場景。通常，芯片以倒裝芯片配置安裝在硅基板上。

2.5D封裝的優點

增強的性能：2.5D 封裝可將處理器、內存和傳感器等多種組件集成在單個封裝上。這種接近性導致互連長度縮短，從而提高信號完整性并降低延遲。

尺寸減小：通過在中介層上堆疊芯片，2.5D 封裝減少了封裝的整體占地面積（與 2D 相比），使其成為更小、更薄的設備的理想選擇。

提高電源效率：2.5D 封裝中更短的互連和優化的芯片布局可降低功耗，使其適合電池供電的設備。

2.5D封裝的應用

2.5D 封裝已在各個行業得到應用，包括高性能計算、數據中心和網絡設備。它特別適合人工智能 (AI) 加速器，其中多種類型的芯片需要高效地協同工作。

了解 3D 封裝

3D 封裝通過將多個半導體芯片堆疊在一起，創建三維結構，將集成提升到一個新的水平。這種方法增強了包的整體性能和功能。這會導致更短的互連和更小的封裝尺寸。然而，隨著芯片深入到真正的 3D-IC 領域（其中邏輯或存儲芯片相互堆疊），設計、制造以及最終的良率和測試過程變得更加復雜和具有挑戰性。

3D 封裝領域提供了多種方法來滿足不同的要求。有“真正的 3D”封裝，其中晶圓錯綜復雜地堆疊在一起，以實現最大程度的集成。還有另一類“ 3D 片上系統 (SoC) 集成”，可能涉及背面配電層或存儲器晶圓彼此堆疊等功能。最后，“3D 系統級封裝 (SiP)”涉及約 700 微米的接觸間距，并采用扇出晶圓級封裝。

這些方法中的每一種都解決了 3D 封裝領域內的特定技術需求和挑戰。

3D封裝的優點

無與倫比的集成：3D 封裝允許以最緊湊的方式集成各種組件和功能，從而可以以緊湊的外形尺寸創建高度復雜的系統。

改善散熱：3D 封裝中芯片的垂直排列可實現高效散熱，解決與高性能計算相關的熱挑戰。

縮短互連長度：3D 封裝進一步縮短互連長度（超過 2.5D），從而最大限度地減少信號延遲和功耗。 3D 封裝技術的一個非常顯著的優勢是距離的縮短。在堆疊 3D 結構中，各個組件之間的距離約為 2D 結構中的距離的 0.7。這種距離的減少直接影響系統布線部分的功耗，因為它導致電容減少。因此，現在的功耗大約是 2D 配置中的 0.7 倍。

3D 封裝應用

3D 封裝在極端性能和小型化至關重要的應用中越來越受歡迎。它通常用于高級內存技術，例如高帶寬內存 (HBM) 以及用于高端智能手機、游戲機和專業計算的高級處理器。

比較 2.5D 和 3D 封裝

雖然 2.5D 和 3D 封裝都具有顯著的優勢，但它們并不相互排斥，它們的適用性取決于應用的具體要求。2.5D 封裝是邁向 3D 封裝的墊腳石，可平衡性能和復雜性。當需要中等程度的集成或從傳統的 2D 封裝過渡到更先進的技術時，通常會選擇它。

另一方面，3D 封裝非常適合需要尖端性能、緊湊性和功效的應用。與 2.5D 相比，如果可能的話，3D 集成在所有討論的方式上都將始終更加高效，只是復雜性會增加。隨著技術的成熟，我們預計 3D 封裝將在各個領域變得更加普遍。3D 封裝不會取代 2.5D 封裝，而是對其進行補充。未來，我們可能會看到一個生態系統，其中小芯片可以在 2.5D 封裝中混合和匹配，并為各種應用提供真正的 3D 配置。

此外，異構性在 3D 集成中具有顯著優勢的潛力。異構技術架構，例如將光子集成電路 (IC) 與電子 IC 相結合，可以極大地受益于 3D 集成。在此類集成中，通過任何其他方式可能無法在不顯著犧牲功率或性能的情況下實現所需的大量芯片到芯片互連。

審核編輯：劉清