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1.引  言

 

作為一名在半導(dǎo)體封裝測試領(lǐng)域摸爬滾打了 21年的“Old Money”，我見證了這個行業(yè)從傳統(tǒng)2D芯片到如今復(fù)雜3D集成的飛速發(fā)展。記得有一次，我參與了一個高端芯片項目的封裝設(shè)計，當時我們遇到了一個棘手的散熱問題。傳統(tǒng)2D封裝無論如何優(yōu)化，都無法滿足芯片的散熱需求，項目一度陷入僵局。就在我們幾乎要放棄的時候，3DIC封裝技術(shù)給了我們新的希望。通過將芯片垂直堆疊，并在中間加入微通道冷卻結(jié)構(gòu)，我們不僅解決了散熱問題，還大幅提升了芯片性能。從那以后，我就深深意識到 3D IC 技術(shù)的巨大發(fā)展空間潛力，類似國貿(mào)大廈，向天上要空間。

 

三巨頭 2.5D、3D 封裝工藝對照如下(附圖)

 

今天，我想和大家分享一下 3D IC 設(shè)計與封裝技術(shù)的最新進展、行業(yè)應(yīng)用，以及未來的發(fā)展趨勢。

 

2.3D IC 設(shè)計與封裝技術(shù)的最新進展

 

（一）技術(shù)突破與創(chuàng)新

 

1. Cadence：打通從 Chiplet 到系統(tǒng)的完整 3D-IC 平臺生態(tài)

 

Cadence 的 Integrity™3D-IC 平臺是目前行業(yè)內(nèi)唯一能覆蓋 Chiplet 設(shè)計、封裝規(guī)劃、system-level 分析的完整方案。它就像一個“超級管家”，從芯片的最初設(shè)計到最終的系統(tǒng)集成，都能提供一站式服務(wù)。這個平臺不僅支持數(shù)字、定制/模擬、熱分析工具，還全面覆蓋從芯片到系統(tǒng)的全流程設(shè)計需求。有了它，Engineers 可以更高效地完成復(fù)雜的設(shè)計任務(wù)，減少設(shè)計錯誤，縮短產(chǎn)品上市時間。

 

 

 

 

2. Synopsys：多物理場仿真與 AI 賦能設(shè)計

 

Synopsys 通過收購 Ansys，顯著提升了多物理場仿真能力。這就好比給設(shè)計師們配備 了一雙“透視眼”，能夠看到芯片在各種物理條件下的表現(xiàn)。其 3DIC Compiler 平臺與Ansys 的SI、Thermal landscape和可靠性sign off工具集成，為客戶提供芯片、封裝和系統(tǒng)級效應(yīng)的黃金標準sign off精度。此外，Synopsys還引入了AI技術(shù)，讓設(shè)計過程更加智能化。AI可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和設(shè)計規(guī)則，自動優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，提高設(shè)計efficiency 和質(zhì)量。

 

3. Siemens EDA：系統(tǒng)級仿真與封裝技術(shù)

 

Siemens EDA（原 Mentor Graphics）在系統(tǒng)級仿真和封裝技術(shù)方面也持續(xù)創(chuàng)新。它的Xpedition™封裝設(shè)計工具就像一個“精密的拼圖大師”，能夠?qū)⒉煌男酒头庋b組件完美地拼接在一起。同時，Siemens EDA 的 Calibre®平臺提供了從設(shè)計到制造的全流程驗證工具，支持 2.5D/3D 封裝技術(shù)。這就好比為芯片設(shè)計和制造過程安裝了一道“安全門”，確保每一個環(huán)節(jié)都符合設(shè)計要求。

 

（二）行業(yè)應(yīng)用

 

1. HPC

 

3D IC技術(shù)在HPC領(lǐng)域大放異彩。以Intel的Foveros Direct 3D技術(shù)為例，它在數(shù)據(jù)中心GPU應(yīng)用中支持8層芯片Stack，就像把8塊高性能的“磚塊”疊在一起，顯著提高了計算能力和數(shù)據(jù)傳輸速率。這種技術(shù)使得數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器能夠更快地處理海量數(shù)據(jù)，為 AI、大數(shù)據(jù)分析等應(yīng)用提供了強大的支持。

 

2. 消費電子

 

在消費電子領(lǐng)域，3D IC 技術(shù)讓我們的手機、平板電腦等設(shè)備變得更輕薄、更強大。

 

TSMC 的SoIC 技術(shù)(基于 CoWoS+WoW 的封裝方式)被應(yīng)用于Apple A16 和 N2 芯片的堆疊，就像在芯片上搭建了一座“微型摩天大樓”，不僅提升了芯片性能，還為設(shè)備騰出了更多空間用于其他功能模塊。未來，隨著技術(shù)的不斷進步，我們的電子產(chǎn)品將變得更加智能、高效。

 

3. 汽車電子

 

汽車電子領(lǐng)域?qū)煽啃院托阅艿囊髽O高。3D IC 技術(shù)在這里也大有可為。例如，ASE 的 TGV 技術(shù)用于 3D 電感封裝，就像給芯片穿了一件“防護服”，顯著提高了信號完整性和可靠性。這種技術(shù)在自動駕駛輔助系統(tǒng)和車載信息娛樂系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，為我們的出行安全和便利提供了保障。

（三）行業(yè)報告與研究

 

1. CSPT（中國封裝協(xié)會）報告

 

根據(jù)中國封裝協(xié)會（CSPT） 的最新報告，中國在2.5D和3D封裝技術(shù)領(lǐng)域取得了顯著進展。國內(nèi)廠商如JCET、HTtech等在先進封裝技術(shù)上持續(xù)突破，就像在半導(dǎo)體封裝的“賽道”上加速奔跑。預(yù)計到2025年，中國先進封裝市場規(guī)模將上漲至1137億元人民幣，這將為國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入強大動力。

 

中國先進和傳統(tǒng)封裝規(guī)模趨勢分析如下（銷售口徑）

 

2. ICEPT（世界封裝協(xié)會）報告

 

ICEPT 的報告也顯示，3D IC 封裝技術(shù)的實用化開發(fā)正在全球范圍內(nèi)加速推進。從2013年開始，3D IC 封裝技術(shù)的研究開發(fā)就涵蓋了多種應(yīng)用場景，包括 3D 系統(tǒng)封裝、微波傳輸系統(tǒng)封裝、MEMS 設(shè)備制造等。這些技術(shù)的發(fā)展不僅推動了半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，也為其他高科技領(lǐng)域帶來了新的機遇。

 

3.未來發(fā)展趨勢

 

（一）更高集成度

 

未來，3D IC 技術(shù)將朝著更高集成度的方向發(fā)展。就像在芯片上搭建更高的“摩天大樓”，實現(xiàn)更多功能單元的堆疊。TSMC 預(yù)計到 2027 年，其 SoIC 技術(shù)將實現(xiàn) 3μm 間距，支持 8 層芯片堆疊。這意味著我們可以在更小的空間內(nèi)實現(xiàn)更強大的功能，為未來的智能設(shè)備和高性能計算提供更強大的支持。

 

（二）更低功耗

 

隨著技術(shù)的不斷進步，3D IC 將進一步降低功耗。通過優(yōu)化設(shè)計和制造工藝，例如 Intel 的 Foveros Direct 3D 技術(shù)，互連功耗降低至 0.15pJ/bit，相比傳統(tǒng)方案降低 30%。這不僅延長了設(shè)備的電池壽命，也為環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展做出了貢獻。

 

（三）更廣泛應(yīng)用

 

3D IC 技術(shù)將在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，如 AI、量子計算、生物醫(yī)學(xué)等。例如，在 AI 領(lǐng)域，3D IC 可以實現(xiàn)更高的計算能力和更低的延遲，為智能算法的運行提供強大的硬件支持。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，3D IC 可以用于開發(fā)微型化的醫(yī)療設(shè)備，為疾病的診斷和治療提供更精準的工具。

 

4.面臨的挑戰(zhàn)

 

（一） Heat dissipation

 

High - density stacking 帶來了散熱挑戰(zhàn)。就像在“摩天大樓”里安裝了太多的“發(fā)動機”，如果不解決散熱問題，IC 可能會因為過熱而損壞。Intel 開發(fā)的納米復(fù)合應(yīng)力緩沖層， CTE 可調(diào)范圍達 3-7ppm/°C，為散熱問題提供了一種解決方案。

 

（二）TSV

 

TSV 的制造過程復(fù)雜，需要高精度的深孔刻蝕和金屬填充技術(shù)。TSV 內(nèi)的缺陷可能導(dǎo)致信號傳輸問題，就像在“摩天大樓”的“電梯”里出現(xiàn)了故障。這需要進一步改進制造工藝，確保 TSV 的質(zhì)量和可靠性。

 

 

（三） Rel of Bonding

 

鍵合技術(shù)需要確保芯片層間的物理連接和對齊，特別是在高溫和高濕度環(huán)境下。鍵合強度的穩(wěn)定性是一個關(guān)鍵問題，就像“摩天大樓”的“地基”必須足夠堅固。這需要開發(fā)更先進的鍵合材料和技術(shù)，以提高鍵合的可靠性和穩(wěn)定性。

 

5.總  結(jié)

 

3D IC 設(shè)計與封裝技術(shù)作為半導(dǎo)體行業(yè)的前沿領(lǐng)域，正在快速改變芯片制造和系統(tǒng)集成的未來。通過將多個芯片垂直堆疊，3D IC 技術(shù)不僅提高了集成度和性能，還顯著降低了功耗和尺寸。盡管面臨散熱、制造、鍵合等挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)的不斷進步，3D IC 將在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，推動半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。未來，3D IC 技術(shù)將朝著更高集成度、更低功耗、更廣泛應(yīng)用的方向發(fā)展，為高性能計算、消費電子、汽車電子等領(lǐng)域帶來更多的創(chuàng)新和突破。

 

參 考：

 

《Cadence whitepaper》

 

《集成電路封裝可靠性技術(shù)》

 

《Cadence Design Systems Annual Report 2022》

 

《基于SiP技術(shù)的微系統(tǒng)》

 

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