先进封装技术：赋能未来芯片发展的核心引擎

概述

3D封装技术

由于电子整机和系统在航空、航天、计算机等领域对小型化、轻型化、薄型化等高密度组装要求的不断提高，在MCM的基础上，对于有限的面积，电子组装必然在二维组装的基础上向z方向发展，这就是所谓的三维(3D)封装技术，这是今后相当长时间内实现系统组装的有效手段。

实现3D封装主要有三种方法。一种是埋置型，即将元器件埋置在基板多层布线内或埋置、制作在基板内部。电阻和电容一般可随多层布线用厚、薄膜法埋置于多层基板中，而IC芯片一般要紧贴基板。还可以在基板上先开槽，将IC芯片嵌入，用环氧树脂固定后与基板平面平齐，然后实施多层布线，最上层再安装IC芯片，从而实现3D封装。第二种方法是有源基板型，这是用硅圆片IC(WSI)作基板时，先将WSI用一般半导体IC制作方法作一次元器件集成化，这就成了有源基板。然后再实施多层布线，顶层仍安装各种其他lC芯片或其他元器件，实现3D封装。这一方法是人们最终追求并力求实现的一种3D封装技术。第三种方法是叠层法，即将两个或多个裸芯片或封装芯片在垂直芯片方向上互连成为简单的3D封装。更多的是将各个已单面或双面组装的MCM叠装在一起，再进行上下多层互连，就可实现3D封装。其上下均可加热沉，这种3D结构又称为3D．MCM。由于3D的组装密度高，功耗大，基板多为导热性好的高导热基板，如硅、氮化铝和金刚石薄膜等。还可以把多个硅圆片层叠在一起，形成3D封装。

先进的叠层式3D封装技术

近几年来，先进的封装技术已在IC制造行业开始出现，如多芯片模块（MCM）就是将多个IC芯片按功能组合进行封装，特别是三维（3D）封装首先突破传统的平面封装的概念，组装效率高达200%以上。它使单个封装体内可以堆叠多个芯片，实现了存储容量的倍增，业界称之为叠层式3D封装；其次，它将芯片直接互连，互连线长度显著缩短，信号传输得更快且所受干扰更小；再则，它将多个不同功能芯片堆叠在一起，使单个封装体实现更多的功能，从而形成系统芯片封装新思路；最后，采用3D封装的芯片还有功耗低、速度快等优点，这使电子信息产品的尺寸和重量减小数十倍。正是由于3D封装拥有无可比拟的技术优势，加上多媒体及无线通信设备的使用需求，才使这一新型的封装方式拥有广阔的发展空间。

最常见的裸芯片叠层3D封装先将生长凸点的合格芯片倒扣并焊接在薄膜基板上，这种薄膜基板的材质为陶瓷或环氧玻璃，其上有导体布线，内部也有互连焊点，两侧还有外部互连焊点，然后再将多个薄膜基板进行叠装互连。

裸芯片叠层的工艺过程为：第一步，在芯片上生长凸点并进行倒扣焊接。如果采用金凸点，则由金丝成球的方式形成凸点，在250～400 ℃下，加压力使芯片与基板互连；若用铅锡凸点，则采用 Pb95Sn5（重量比）的凸点，这样的凸点具有较高的熔点，而不致在下道工艺过程中熔化。具体方法，先在低于凸点熔点的温度（180～250 ℃）下进行芯片和基板焊接，在这一温度下它们靠金属扩散来焊接；然后加热到250～400 ℃，在这一温度下焊料球熔化，焊接完毕。第一步的温度是经过成品率试验得到的，当低于150 ℃时断路现象增加；而当高于300 ℃时，则相邻焊点的短路现象增多。第二步，在芯片与基板之间0.05 mm的缝隙内填入环氧树脂胶，即进行下填料。第三步，将生长有凸点的基板叠装在一起，该基板上的凸点是焊料凸点，其成分为Pb/Sn或Sn/Ag，熔点定在200～240 ℃。这最后一步是将基板叠装后，再在230～250 ℃的温度下进行焊接。

MCM叠层的工艺流程与裸芯片叠层的工艺流程基本一致。除上述边缘导体焊接采用互连方式外，叠层3D封装还有多种互连方式，例如引线键合叠层芯片就是一种采用引线键合技术实现叠层互连的，该方法的适用范围比较广。此外，叠层互连工艺还有叠层载带、折叠柔性电路等方式。叠层载带是用载带自动键合（TAB）实现IC互连，可进而分为印刷电路板（PCB）叠层TAB和引线框架TAB。折叠柔性电路方式是先将裸芯片安装在柔性材料上，然后将其折叠，从而形成三维叠层的封装形式。

先进封装是指采用倒装芯片（Flip Chip）、凸点（Bumping）、晶圆级封装（WLP）、2.5D/3D集成等创新工艺，在封装层面实现更高密度互连、更短信号路径和异构集成的新型技术体系。与传统封装相比，其核心优势在于：提升互连效率，通过硅通孔（TSV）、重布线层（RDL）、微凸点（Micro Bump）等技术，显著缩短芯片间通信距离，降低信号延迟与功耗。例如，TSV技术通过垂直互连将不同芯片层的信号传输距离从毫米级缩短至微米级，传输速度提升可达数倍。实现系统级集成：将多个不同工艺节点、功能类型的芯粒（Chiplet）集成于单一封装体内，实现"系统级封装"（SiP）。这种"搭积木"式的模块化设计，不仅打破了单芯片性能瓶颈，还允许不同供应商的芯片协同工作，加速产品迭代。优化成本与设计灵活性：传统SoC（系统级芯片）设计需在同一工艺节点集成所有功能，研发周期长且风险高。而先进封装技术允许将芯片分解为多个功能模块，分别采用最适合的工艺生产，最终封装集成，大幅降低整体研发成本与流片风险，缩短产品上市时间。此外，先进封装技术还推动了封装材料与工艺的创新，如低温键合、混合键合等工艺的应用，进一步提升了封装良率和可靠性。这些技术突破使封装从单纯的"保护与连接"功能，升级为芯片性能优化的关键引擎。

先进封装技术通过创新的思路和工艺对芯片进行封装级重构，显著提升了芯片的性能、集成度和功能密度。

驱动先进封装发展的核心动力 3D封装通过TSV和混合键合技术，将芯片垂直堆叠，极大提升单位体积内的晶体管数量和互连密度，HBM（高带宽内存）：作为AI服务器的核心组件，HBM通过将多层DRAM芯片堆叠，带宽可达传统GDDR的10倍以上。国际厂商已推出HBM3代产品，单堆容量突破24GB，推动AI大模型训练效率飙升。3D封装不仅提升了性能，还显著缩小了芯片面积，尤其适用于对体积与功耗要求严苛的移动终端、物联网设备等领域。其"垂直堆叠"的特性，为芯片集成开辟了新的维度。 先进封装的快速发展主要源于以下需求： 应对物理极限：当芯片制程微缩到纳米级别后，单位晶体管成本下降幅度急剧减少，通过先进封装提升系统性能成为更具经济效益的路径。 满足高性能计算需求：人工智能、数据中心等应用对芯片的算力、带宽和功耗提出了极致要求。2.5D/3D封装和Chiplet技术能够有效打破"内存墙"和"功耗墙"。 实现异质集成：将采用不同工艺制程、不同材料（如逻辑芯片、模拟芯片、射频芯片、传感器等）的元件集成在一起，实现复杂功能，这在SiP和扇出型封装中尤为突出。

先进封装已不再是芯片制造的"配角"，而是决定下一代信息技术竞争力的战略高地。它不仅解决了性能瓶颈问题，更重塑了芯片设计、制造与系统集成的整个生态。从AI超级计算机到智能终端，从自动驾驶到元宇宙，先进封装技术正以"看不见的力量"推动着数字世界的变革。未来，无论是技术路线的选择、产业链的整合，还是国际竞争格局的重塑，先进封装都将扮演核心角色。在这场半导体新革命中，谁掌握先进封装，谁就掌握了通往未来的钥匙。对于中国半导体产业而言，突破先进封装技术，不仅是技术突围的关键，更是实现产业链自主可控、抢占全球半导体产业制高点的必由之路。