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我們知道，集成電路 (IC) 封裝是半導體制造過程中的關鍵步驟，需要將半導體芯片（實際的集成電路）封裝在具有保護性且通常具有功能性的封裝中。這種封裝具有多種用途，包括提供環境防護、散熱、電氣連接，有時還具有信號調理或功率傳輸等附加功能。

半導體制造流程中，IC 封裝通常發生在實際半導體器件制造之后。該過程包括取出裸露的半導體芯片（通常是包含集成電路的一小塊易碎的硅片），并將其放入提供必要支撐和連接的封裝中。

想象一下，你剛剛烤出一個美味而精致的蛋糕（相當于半導體器件）。蛋糕代表著集成電路，它是廚房里細致而精準工作的成果（類似于半導體制造）。

然而，你的蛋糕仍然容易受到天氣影響，而且你需要把它運送到城里另一邊的派對。你肯定不希望它受損，所以需要妥善封裝。你可以把它放在一個結實的蛋糕盒里（類似于IC封裝），這樣不僅可以保護蛋糕脆弱的結構，還能方便地攜帶。

在這個類比中：

• 烘焙蛋糕（半導體制造）：這是在半導體晶片上創建集成電路的過程。

• 蛋糕封裝（IC封裝）：蛋糕烘焙完成后，需要將其放入盒子中保護。同樣，半導體制造完成后，需要將裸片放入功能性封裝中保護。

• 運送至派對（集成到設備中）：現在，您可以將包裝好的蛋糕運送到派對上并享用。同樣，您可以將封裝好的半導體集成到電子設備中，例如智能手機或計算機。

在這兩種情況下，封裝都能保護精密的核心部件（芯片或半導體），并方便外部連接（傳輸或電路板連接）。半導體封裝通常還具有散熱功能，以保持集成電路的性能。

在從二維到三維的演進中，封裝從平面結構向分層結構演進，旨在突破尺寸、功耗、信號傳輸等方面的限制，開啟半導體技術的新紀元。

在二維 IC 封裝中，將單個芯片或裸片并排排列在基板或印刷電路板 (PCB) 上。使用引線鍵合或倒裝芯片技術將它們互連。

然而，隨著芯片上晶體管數量的增加（遵循摩爾定律），互連長度和復雜性也會增加，導致功耗更高、信號傳輸速度更慢。

2D封裝面臨的一些問題是：

• 集成度有限：在二維 IC 封裝中，不同功能的分立器件（例如高性能邏輯、低性能邏輯、存儲器以及模擬/射頻）各自位于各自的芯片封裝中。這種設置限制了可實現的集成度。

• 尺寸和重量：二維 IC 封裝產生的電路板將更大、更重，并且消耗更多電量。

• 可靠性：電路板上的每個焊接點都是潛在的故障點。

• 性能影響：性能受到顯著影響，因為信號從一個芯片封裝傳播到另一個芯片封裝需要相對較長的時間。

隨著摩爾定律的放緩，半導體行業轉向創新封裝技術以跟上步伐。2.5D 和 3D IC 提供了連接多個芯片的突破性方法，從而提高了速度、效率和小型化程度。

想象一下，您的智能手機可以流暢運行多個應用程序，而您的筆記本電腦則可以處理復雜的 AI 任務，而不會過熱或運行緩慢。這種流暢性能的背后，是內部微型芯片（即集成電路 (IC)）的關鍵設計。隨著技術的進步，芯片制造商正在探索新的方法，以便在更小的空間內實現更高的性能和更高的效率。2.5D和 3D IC 架構是兩種領先的競爭者。

但哪一個能真正推動計算的未來呢？就像把書整齊地堆放在書架上（2.5D）和建造一座多層圖書館塔（3D）一樣，

這些設計具有不同的優勢和挑戰，可以塑造從日常設備到下一代超級計算機的一切。

讓我們深入芯片堆疊的世界，看看哪種架構是未來技術突破的關鍵。

2.5D IC 將芯片并排排列在中介層上；3D IC 則垂直堆疊芯片。

2.5D 中介層提供密集的水平連接；3D IC 使用垂直硅通孔 (TSV)。

3D IC 可以實現更高的集成密度，但面臨更大的冷卻和設計復雜性。

2.5D IC 具有中等復雜度且更易于熱管理的特點。

這兩種技術都致力于提高性能、降低功耗、縮小占用空間，超越傳統的晶體管縮放。

什么是2.5D？

2.5D IC 封裝是傳統 2D IC 的漸進式發展。與將芯片并排放置在基板上的 2D 封裝不同，2.5D 封裝需要將兩個或多個有源半導體芯片并排放置在硅中介層上。

這種中介層通常由硅或玻璃制成，其作用類似于密集的高速電路板，可實現芯片之間的緊密快速通信。

該硅中介層提供芯片之間的連接，實現極高的芯片間互連密度。與二維 IC 封裝相比， 這可以實現更精細的線路和空間。

因此，雖然2D封裝將芯片分布在一個平面上，但2.5D封裝已開始興起。這提供了一種介于2D和3D封裝之間的中間地帶。

我們可以將 2.5D IC 封裝想象成一座城市，由高度相同的建筑物組成，并通過橋梁連接。每座“建筑物”都是一個執行特定功能的芯片。 “橋梁”是硅中介層，它允許建筑物之間實現更快、更高效的通信。

與將組件安裝在單獨的印刷電路板 (PCB) 上的傳統多芯片模塊相比，這種設置顯著提高了信號速度和功率效率。

例如，AMD 的 Radeon GPU采用 2.5D 封裝技術，將主邏輯芯片連接到多個高帶寬內存 (HBM)堆棧。這種設計實現了高達2 TB/s 的數據傳輸速度，同時顯著降低了能耗。

2.5D 方法允許：

在一個平臺上集成異構技術（邏輯、內存、RF）與 3D 堆疊相比，熱管理相對容易中等設計復雜度，有助于加快產品上市時間。

2.5D IC封裝示例：

英特爾 Kaby Lake-G 處理器：該處理器采用英特爾嵌入式多芯片互連橋 (EMIB) 技術，將 CPU 和 GPU 結合在一個封裝中。

AMD 的 Radeon Instinct MI25X 顯卡：它使用 AMD 的 Interposer Bridge (IFB) 技術將多個 HBM2 內存堆棧連接到 GPU。

NVIDIA的Tesla V100顯卡：這款顯卡采用了NVIDIA的NVLink技術，將多個GPU連接在一起。

但是，摩爾定律的局限性以及芯片堆疊的特性依然會導致芯片碰到新瓶頸。

器件微縮：這涉及縮小整個芯片或封裝的尺寸，包括所有晶體管、互連線和其他組件。通常會使用光刻和蝕刻等技術。

然而，隨著摩爾定律的極限逼近，器件的微縮成為一項挑戰。器件微縮的速度越來越慢，而這些芯片的技術、設計、分析和制造成本卻越來越高。

物理限制：由于模塊并排放置，添加更多芯片會導致面積增大。實際尺寸存在限制。

光掩模和光罩的尺寸最終決定了芯片的最大尺寸——邊長大約為25到27毫米。所以，從物理上講，你不可能制造出比這更大的芯片。

晶體管縮放：由于晶體管縮放的數量已經減少，設計人員無法通過將越來越多的設備放入單個封裝中而從增加的復雜性中獲益。

3D IC封裝的出現

3D IC 封裝就像將書本堆疊在一起。每本“書”或芯片都有各自的功能，它們垂直連接，就像書本之間的樓梯。這使得我們可以在同一個書架空間內放置更多書籍，從而提高系統速度和效率。這就像在城市里建造摩天大樓以節省空間一樣。

3D集成電路通過垂直堆疊芯片，將集成度提升到一個新的高度。它們使用稱為“硅通孔”（TSV）的微型垂直導管連接這些層，這些導管可直接穿過硅基板傳輸信號和電力。

想象一下，一座摩天大樓的多層樓通過電梯（TSV）連接，大大縮短了數據在各層之間的傳輸距離。這種垂直堆疊技術最大限度地減少了信號延遲，并實現了超高帶寬，使 3D IC 成為數據密集型應用的理想選擇。

3D IC 實現了“超越摩爾定律”的集成，在更小的空間內增強功能并降低成本。這些封裝可容納不同工藝節點的各種芯片，包括邏輯、存儲器、模擬、射頻和 MEMS 芯片。它們將高速邏輯與舊節點的模擬功能相結合。這種方法優化了性能和尺寸。

因此，可以在具有更大空間的單個芯片中集成多個設備。

3D IC 封裝是通過稱為垂直堆疊的工藝實現的。這涉及使用傳統的互連方法，例如引線鍵合和倒裝芯片技術。3D 封裝可分為 3D 系統級封裝 (3D SiP) 和 3D 晶圓級封裝 (3D WLP)。

可以將3D 系統級封裝(3D SiP)想象成一棟多層建筑，每層樓都包含不同的芯片。它們通過電梯（引線鍵合或倒裝芯片技術）連接。

3D晶圓級封裝（3D WLP）就像一個大型的樓層，不同的房間（芯片）通過門（互連）連接。整個樓層一次性建成（晶圓級工藝），形成一個封裝好的組件基座結構。

這兩種方法都使我們能夠在同一封裝中安裝更多的芯片，從而提高性能。

隨著晶體管尺寸縮小速度放緩， 2.5D 和 3D IC 等“超越摩爾”創新技術是保持芯片性能的關鍵。它們能夠：

通過縮短互連長度實現更快的數據移動

通過高效的通信路徑降低功耗

緊湊的設備外形對于移動和邊緣設備至關重要

在一個芯片平臺上集成多種技術（例如邏輯、存儲器、RF、傳感器）

Yole Dévelopement的市場預測估計，受人工智能、5G、HPC 和汽車領域需求的推動，先進芯片封裝市場將從 2023 年的 35 億美元增長到 2030 年的 100 多億美元。

在 2.5D 和 3D IC 之間進行選擇，取決于應用的性能、功率、尺寸和成本要求。2.5D 提供均衡且經濟高效的解決方案，而 3D IC 則以更高的集成密度突破了性能界限。

半導體的未來將在很大程度上依賴于這些架構，以滿足人工智能、5G、邊緣計算等領域不斷增長的需求。對于工程師、投資者和技術愛好者來說，了解這些封裝創新至關重要。

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