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講到半導體封裝，相信大家現(xiàn)階段聽到最多的就是“先進封裝”了。

其實先進封裝（Advanced Packaging）最清晰定義就是：超越傳統(tǒng)引線鍵合、追求更高性能 / 更高集成度 / 更小尺寸的新一代封裝技術的總稱。

它并不是單指某一種工藝，而是一整套技術路線，其核心目標就是：更小、更薄、更快、更熱、更集成。

所以，當前的“先進封裝”就是用倒裝、扇出、2.5D/3D 堆疊等技術，實現(xiàn)芯片高性能、高集成、小型化的高端封裝路線，也是當前半導體行業(yè)增長最快的賽道之一。

2.5D和3D封裝，都是對 芯片進行堆疊封裝。在2.5D和3D封裝之前，首先發(fā)展起來的是MCM（ Multi-Chip Module，多芯片組件）。

而MCM，是將多個 未封裝的裸片和其它元器件，組裝在同一塊多層高密度基板上，進行 通過基板電路進行互連接，然后進行封裝。

MCM已有十幾年的歷史，組裝對象是超大規(guī)模集成電路和專用集成電路的裸片，而不是中小規(guī)模的集成電路。MCM的出發(fā)點，是滿足高速度、高性能、高可靠和多功能需求。體積和重量，并不是優(yōu)先關注的對象。

MCM的技術難度低、 成本低、可靠性高，但集成密度低、時延相對較大。我們可以把它理解為是一種2D集成。它預示了芯片集成化、堆疊化的趨勢。后來，基于這個趨勢，就有了更先進的2.5D封裝和3D封裝。

在探討2.5D和3D封裝技術之前，我們需要了解為什么這些技術如此重要。隨著集成電路（IC）技術的不斷發(fā)展，摩爾定律面臨著逐漸放緩的趨勢。為了滿足高性能、高帶寬和低功耗的需求，傳統(tǒng)的平面封裝技術已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代電子設備的需求。這推動了2.5D和3D封裝技術的發(fā)展，它們被視為超越摩爾定律局限，開啟電子系統(tǒng)新篇章的關鍵技術。

一、2.5D和3D封裝技術定義和特點

2.5D封裝技術作為一種先進的封裝技術，它的定義和特點對于理解其在電子系統(tǒng)中的應用和優(yōu)勢至關重要。

1、2.5D封裝定義與特點

（1）定義

2.5D封裝技術的定義可以從幾個不同的角度來解釋：

首先，它是一種介于傳統(tǒng)2D封裝和3D封裝之間的過渡技術。是將多個異構的芯片，比如邏輯芯片、存儲芯片等，通過使用硅中介層（Silicon Interposer）和硅通孔（Through-Silicon Via, TSV）實現(xiàn)芯片之間的垂直電氣連接，從而提高系統(tǒng)的整體性能。同時，這個中介層（Silicon Interposer）通常還是一塊具有高密度布線的硅片，可以實現(xiàn)芯片之間的短距離、高速通信。

其次，2.5D封裝還可以被視為一種異構芯片封裝，能夠實現(xiàn)多個芯片的高密度線路連接，集成為一個封裝。

最后，2.5D封裝技術可以看作是一種過渡技術，它相對于傳統(tǒng)的2D封裝技術，在性能和功耗上有了顯著的改進，同時相比于更先進的3D封裝技術，技術難度和成本較低。

總之，因為2.5D 封裝是用硅中介層實現(xiàn)多芯片并排高速互聯(lián)的先進封裝，所以也是當前AI芯片的標配方案。

（2）特點

2.5D封裝技術的主要特點包括以下五個方面：

a. 高性能

硅中介層提供了高密度的互連，使得芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸速度大大提高。這一點在搜索結果中得到了明確的闡述，指出2.5D封裝技術的關鍵在于硅中介層的設計和制造，以及硅通孔（TSV）技術實現(xiàn)的垂直互連。

b. 靈活性

2.5D封裝可以集成不同工藝、不同功能的芯片，實現(xiàn)了異構集成。這種靈活性使得2.5D封裝在實際應用中具有更大的適應性和可能性。

c. 可擴展性

通過增加硅中介層的面積和TSV的數(shù)量，可以方便地擴展系統(tǒng)的功能和性能。這意味著2.5D封裝技術能夠適應未來技術發(fā)展的需求，容易進行升級和擴展。

d. 制造成本相對較低

盡管2.5D封裝技術存在一些挑戰(zhàn)，如制造成本高，但相比于3D封裝技術，2.5D封裝的制造工藝相對較為成熟，成本相對較低。這使得2.5D封裝成為了許多電子系統(tǒng)制造商的首選封裝技術。

e. 熱管理問題

由于多個芯片緊密集成，熱密度較高，需要有效的熱管理方案。這是2.5D封裝技術面臨的一個重要挑戰(zhàn)，需要在設計和制造過程中考慮到熱管理和散熱問題。

2、3D封裝技術定義和特點

3D封裝技術是一種先進的集成電路封裝技術，它通過在垂直方向上堆疊多個芯片，實現(xiàn)了更高的封裝密度和性能。

（1）定義

3D封裝，又稱為3D晶圓級封裝（WLP），是一種封裝技術，它允許在不改變封裝體尺寸的前提下，在同一個封裝體內(nèi)于垂直方向疊放兩個以上芯片。這種技術起源于快閃存儲器（NOR/NAND）及SDRAM的疊層封裝。

3D封裝技術則是將多個芯片垂直堆疊在一起，通過通過硅通孔（Through-Silicon Via, TSV）實現(xiàn)芯片間的電連接。這種技術可以進一步縮短芯片間的距離，提高集成度和性能，同時減少功耗和空間占用。

因此，由于3D封裝是芯片垂直堆疊 + 垂直互聯(lián)的頂級先進封裝，性能最強、難度最大，所以也是代表半導體封裝未來的方向標。

（2）特點

3D封裝技術的關鍵優(yōu)勢包括以下3個方面：

a. 多功能性與高效能

3D封裝的主要特點是多功能、高效能。它可以使得單位體積上的功能及應用成倍提升。

b. 大容量高密度

3D封裝能夠實現(xiàn)大容量高密度，這是因為在垂直方向上增加了芯片的堆疊，從而顯著提高了封裝密度。

c. 低成本

除了提供高性能之外，3D封裝還具有較低的成本，這使得它在商業(yè)上更具吸引力。

二、2.5D封裝與3D封裝技術的異同點

2.5D封裝與3D封裝的主要區(qū)別在于其互連方式和集成度。2.5D封裝通常在中介層上進行布線和打孔，而3D封裝則是在芯片上直接打孔和布線，實現(xiàn)電氣連接上下層芯片。2.5D封裝的代表技術包括英特爾的EMIB、臺積電的CoWoS和三星的I-Cube，而3D封裝則以英特爾和臺積電的一些高端處理器為例。

同時，2.5D封裝通常被視為是結合了2D和3D特點的中間技術，因為它使用了中介層和一些3D封裝的特性，但它避免了3D封裝中直接在芯片上制作TSV的復雜性和成本。

具體來講，2.5D封裝和3D封裝都是新興的半導體封裝技術，它們都可以實現(xiàn)芯片間的高速、高密度互連，從而提高系統(tǒng)的性能和集成度。以下是它們的一些主要異同點：

1、互連方式的不同

2.5D封裝是通過TSV（Through Silicon Vias）轉換板連接芯片，而3D封裝則是將多個芯片垂直堆疊在一起，并通過直接鍵合技術實現(xiàn)芯片間的互連。在2.5D結構中，兩個或多個有源半導體芯片并排放置在硅中介層上，以實現(xiàn)極高的芯片到芯片互連密度。而在3D結構中，有源芯片通過芯片堆疊集成，以實現(xiàn)最短的互連和最小的封裝尺寸。

2、制造工藝的不同

2.5D封裝需要制造硅基中介層，并且需要進行微影技術等復雜的工藝步驟；而3DIC封裝則需要進行直接鍵合技術等高難度的制造工藝步驟。

3、應用場景的不同

2.5D封裝通常應用于高性能計算、網(wǎng)絡通信、人工智能、移動設備等領域，具有較高的性能和靈活的設計；而3DIC封裝通常應用于存儲器、傳感器、醫(yī)療器械等領域，具有較高的集成度和較小的封裝體積。

4、技術特點和優(yōu)勢

2.5D封裝的概念與2.5D封裝類似，但與傳統(tǒng)2.5D封裝的區(qū)別在于沒有TSV。因此，EMIB技術具有封裝良率正常、無需額外工藝、設計簡單等優(yōu)點。臺積電的CoWoS技術也是一種2.5D封裝技術，根據(jù)中介層的不同，可分為三類：CoWoS_S（使用Si襯底作為中介層）、CoWoS_R（使用RDL作為中介層）、CoWoS_L（使用小芯片(Chiplet)和RDL作為中介層）。三星的I-Cube也是2.5D封裝技術的一種解決方案。

另一方面，3D封裝技術如臺積電的SoIC技術，屬于3D封裝，是wafer-on-wafer鍵合技術。SoIC技術采用TSV技術，可以實現(xiàn)非凸點鍵合結構，將許多不同性質的相鄰芯片集成在一起。SoIC技術將同類和異構小芯片集成到單個類似SoC的芯片中，該芯片具有更小的尺寸和更薄的外形，可以單片集成到高級WLSI（又名CoWoS和InFO）中。新集成的芯片從外觀上看是一顆通用SoC芯片，但內(nèi)嵌了所需的異構集成功能。

三、2.5D封裝與3D封裝器件的裝配與封裝挑戰(zhàn)

關于2.5D封裝與3D封裝器件的裝配與封裝挑戰(zhàn)，就是本章節(jié)要跟大家重點分享的內(nèi)容，該部分內(nèi)容討論了熱壓鍵合（TCB)、預填充、芯片堆疊（D2W)等技術。雖然該報告資料已經(jīng)距今10年時間，但是仍然對于在先進封裝技術及其設備領域有著主要學習和參考價值，所以希望能與有興趣的朋友們一起多交流學習：

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四、2.5D封裝與3D封裝技術的應用前景

1、2.5D封裝技術應用前景

2.5D封裝技術是當前 AI/HPC 的主流標配，3D 封裝是后摩爾時代的終極方向，兩者將長期共存、協(xié)同演進，共同支撐算力與集成度的持續(xù)躍升。

2.5D封裝屬于成熟落地，主流剛需。據(jù)統(tǒng)計，2025–2030年CAGR 約18%，2030年HBM相關2.5D封裝規(guī)模將達42 億美元。

而技術迭代，大尺寸中介層（>2000mm2）、多 HBM 堆疊、低成本玻璃中介層逐步普及也是遲早的事。

2、3D封裝技術應用前景

3D封裝，因技術躍遷，所以將成為未來的核心封裝技術。其核心定位就是后摩爾時代的終極路線，2027年后將進入大規(guī)模商用。據(jù)預測統(tǒng)計，3D SoC（混合鍵合）2024–2030年CAGR高達949%，是增長最快的先進封裝細分，到2030年，3D封裝在先進封裝中占比將超40%，成為絕對主流。

綜合來講，2.5D 是現(xiàn)在的 “現(xiàn)金?！?，3D 是未來的 “增長引擎”，兩者共同定義后摩爾時代的芯片形態(tài)。

2.5D和3D封裝技術正在開啟微電子領域的新篇章。它們不僅能夠滿足高性能計算、大數(shù)據(jù)處理、人工智能等領域對集成度和性能的高要求，也為可穿戴設備、智能手機等消費電子產(chǎn)品提供了更小型化、更高效的解決方案。未來，隨著技術的成熟和應用的拓展，2.5D與3D封裝技術將在促進電子系統(tǒng)向更高性能、更低功耗、更小體積方向發(fā)展中發(fā)揮關鍵作用。

五、2.5D封裝與3D封裝技術的未來展望

2.5D與3D 封裝將走向成熟迭代+技術躍遷+深度融合的協(xié)同格局。

2.5D 在未來 3–5 年仍是 AI/HPC 的主流方案并持續(xù)降本擴量；而3D 封裝則以混合鍵合為核心，在 2027 年后進入大規(guī)模商用，成為后摩爾時代的核心引擎。兩者長期共存、互補演進，共同定義下一代芯片形態(tài)。

盡管2.5D和3D封裝技術目前仍面臨諸如成本、制造復雜性及散熱管理等挑戰(zhàn)，但它們在高性能計算、人工智能、大數(shù)據(jù)以及移動和可穿戴設備等領域的應用前景廣闊。隨著相關制造技術的進步和成本的降低，預計這些封裝技術將在未來的電子系統(tǒng)中發(fā)揮越來越重要的作用。

綜上所述，2.5D 是現(xiàn)在的 “高性能基石”，3D 是未來的 “性能引擎”，3.5D 則是兩者融合的 “黃金橋梁”。2.5D與3D封裝技術不僅是集成電路封裝領域的一次革命，更是電子系統(tǒng)設計和制造領域的一場變革。它們的發(fā)展將推動電子設備向更高性能、更低功耗和更小型化的方向發(fā)展，開啟電子系統(tǒng)的新篇章，共同開啟后摩爾時代的芯片新紀元。

參考文獻：

1、《半導體先進封裝工藝的詳解；》，愛在七夕時；

2、《 混合鍵合，風云再起》，半導體行業(yè)觀察；

3、《 摩爾定律重要方向，先進封裝大有可為》，華福證券 ；

4、《 三大巨頭，決戰(zhàn)先進封裝》 ，半導體行業(yè)觀察；

5、《 技術發(fā)展引領產(chǎn)業(yè)變革，向高密度封裝時代邁進》，華金證券；

6、《 先進封裝高密度互聯(lián)推動鍵合技術發(fā)展，國產(chǎn)設備持續(xù)突破 》，東吳證券；

7、《 算力時代來臨，Chiplet 先進封裝大放異彩》，民生證券；

8、《 先進封裝設備深度報告》，華西證券；

9、 《 半導體功率模塊（IPM）封裝創(chuàng)新趨勢分析的詳解》，愛在七夕時；

10、維基百科、百度百科、各廠商官網(wǎng)；

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審核編輯 黃宇