1為什么需要3D封裝

隨著數字時代流量的爆炸式增長，光纖通信成為高速信息傳輸的關鍵。光纖通信就像高速公路系統，光模塊是公路上的貨車，信息是貨車上的貨物。貨車（即光模塊）需要不斷升級才能跑得更快、更穩，更有效傳輸“信息”貨物。

光模塊升級有兩個關鍵點：

一是速度要快，就像貨車要換上更大馬力的引擎。目前光網絡的傳輸速率正從100G/200G向更高速的400G/800G快速發展。

二是體積要小且性能優，這就好比貨車的設計要更緊湊、更小巧，但是耗油量等性能需要更優。

由于光模塊的空間有限，就像貨車內部空間有限一樣，需要將更多的功能集成到更小的空間里。

為了實現這一目標，3D封裝（Three-dimension Packaging，三維封裝技術）技術應運而生。

這就好比是在貨車內部進行巧妙的設計和布局，讓所有的零部件都能恰到好處地放置在合適的位置上，而且能保證貨車裝載容量大且油耗小等優點。

3D封裝技術引入到光模塊中，能讓光模塊保持小巧身形，實現高速數據傳輸，穩定發揮高性能，輕松順應未來發展趨勢。

2什么是3D封裝

3D封裝是一種芯片封裝技術，廣泛用于電子信息行業各類芯片制造領域，本文聚焦光模塊領域。芯片是實現電子設備核心功能的基礎單元。

所謂封裝就是用“保護盒”，密封組成復雜功能的多塊芯片，保護芯片不受外界環境的影響。

3D封裝指在封裝（即“保護盒”）內，通過將多塊芯片在垂直方向上疊放并互連，多塊芯片疊放成三維結構，實現更高的集成度和更短的互聯距離的封裝技術。

在光模塊領域中，3D封裝指在封裝（即“保護盒”）內，將組成光模塊的各種芯片在垂直方向疊放兩個及其以上芯片，從而使光模塊具有更小體積、更優性能的技術。

33D封裝是如何工作的

典型的3D封裝光模塊過程是將電芯片、光芯片垂直疊放在基板上，兩者間采用TSV（Through Silicon Via，硅通孔）互聯技術實現通信，如下圖所示。

這個過程好比建設摩天大樓，房間（即芯片）是在地面（即基板）一層層垂直建設在一起的。

基板是光芯片和電芯片的電氣連接平臺。基板通常由一塊或多塊導電層組成，導電層被沉積在基板的襯底材料（如硅、陶瓷或玻璃）上。

所有疊放在一起的芯片被整合到一塊基板上，由基板上的導電層實現芯片與外部電路的電氣互聯。微焊球實現芯片間電氣連接。焊球實現基板與封裝體外部器件電氣連接。

多層疊放的芯片之間還需要互聯，才能實現彼此之間的高速通信。常見的互聯技術如TSV，通過在芯片上制造垂直通孔，并填充銅或鎢等導電材料實現芯片間的垂直通信，如下圖所示。

好比在摩天大樓布放電線過程，不同樓層之間先穿孔、再鋪設布線管、最后布放電線實現樓層間通電。

通過TSV技術，可縮短芯片之間連線長度至芯片厚度，有效減少信號傳輸延遲和損失，提高信號速度和帶寬，以此實現光通信模塊更低的功耗、更小的體積和更快的傳輸速率。

43D封裝與2D/2.5D封裝有什么不同

2D封裝屬于傳統封裝技術，2.5D和3D封裝都屬于先進封裝技術。

2D封裝：是平面化組裝，好比建造平房，如下圖所示。在2D封裝中，所有芯片平鋪在基板上，芯片之間需要通過金屬線連接，封裝尺寸比較大。

2.5D封裝：2.5D封裝在2D封裝基礎上增加了一層閣樓（即中介層），類似建設二層小洋樓，一層樓閣僅用于走水電管，二層才平鋪建設房間（即芯片）。

在2.5D封裝中，多塊芯片仍然是水平布置在同一塊基板上，并通過中介層連接在一起，如下圖所示。

2.5D封裝利用中介層、連接線實現芯片間更短的信號傳輸距離和更低的電阻，因此相比2D封裝具有好的散熱性能和更高的帶寬、更小的封裝尺寸。

3D封裝：3D封裝好比建設摩天大樓，合理利用了封裝內的垂直方向空間，通過TSV等垂直互聯技術，實現更短互聯距離和更小封裝尺寸。

綜上所述，2D、2.5D和3D封裝主要異同參見下表。

5 3D封裝有哪些應用場景

3D封裝在光模塊中的應用正逐漸走向成熟，主要應用于以下場景。

數據中心高速互連：數據中心互連采用的400G/800G光模塊，通過3D封裝將光芯片、電芯片分層集成，使1U機架內模塊密度提升2倍，同時縮短電光路徑降低約30%信號損耗。

5G/6G網絡應用：在前傳微型化中，25G灰光模塊采用3D封裝技術，實現超薄設計（厚度<5 mm），通過TSV技術實現光電芯片垂直互聯，滿足基站嚴格的體積與散熱要求。

總之，3D封裝在芯片體積、性能和功耗等方面的顯著提升，引領行業進入了一個新的時代。

根據知名產業分析機構YoleDéveloppement（Yole）預測，2025年先進封裝占全球封裝市場份額將接近50%。在先進封裝市場中，2.5D/3D封裝增速最快，2021年~2027年CAGR（年均復合增長率，Growth Rate）達14.34%。

英特爾已實現3D先進封裝技術的大規模量產，在處理器的制造過程中，不僅能夠以垂直而非水平方式堆疊計算模塊，而且能夠集成不同的計算芯片，優化成本和能效。