半导体封装领域，为了实现超越摩尔定律（More Than Moore）模式，2.5D和3D封装已成为增长最快的先进封装技术之一。

事实上，能与2.5D和3D封装同日而语的技术还包括：异构集成、扇出型、FOWLP、FOPLP、硅通孔、玻璃封装、封装天线、共封装光学器件、RDL等等。这些技术正在为人工智能、高性能计算（HPC）、数据中心、自动驾驶汽车、5G和消费电子等领域带来更大的性能提升。

一、半导体封装的演进

2.5D和3D封装技术融入了各种封装工艺。在2.5D封装中，根据中介层材料的不同，分为硅基、有机基和玻璃基中介层；而在3D封装中，微泵技术的发展进一步实现了更小的间距尺寸。另外，通过采用混合键合技术（如直接连接Cu-Cu）可实现个位数的间距尺寸，标志着该领域的一次重大进步。

半导体封装的演进

二、2.5D封装的三个关键

事实上，不管是哪种先进封装，都会有其自身的优缺点。2.5D封装主要有硅、有机和新近出现的玻璃等材质。在硅基板上，可以将芯片与中介层连接，中介层与芯片之间利用硅通孔连接；有机封装则利用有机基板作为基材，具有成本低、可弯曲等特点。另外，耐高温、透光性好的玻璃基板也可用作封装基材。

不过，有机物的一个主要缺点是，与硅基封装相比，其相同水平互连功能的减少限制了其在HPC应用中的采用。在成本方面，有机RDL（再分配层）适用于成本敏感的产品，板级封装将进一步利用成本效益，而玻璃封装有望成为硅的廉价替代品。

2.5D封装技术发展趋势

要进一步提高半导体封装的性能，需要综合考虑多个方面：

一是介电材料：作为半导体封装中的重要组成部分，其性能直接影响封装的电气性能和可靠性。选择具有高绝缘性、低介电常数和介质损耗的介电材料有助于提高封装性能。

二是RDL：RDL是半导体封装中的一种关键技术，可以将芯片引脚重新分布，以适应封装的需求。通过优化RDL层的厚度、材料和工艺，可以提高封装的电气性能和可靠性。

制造工艺：优化制造工艺可以提高封装的可靠性和稳定性。例如，采用先进的材料、设备和工艺可以减小缺陷和不良率，提高生产效率。

三、3D封装的两大技术

对于3D封装，第一个重要技术是微泵。此前，基于热压键合（TCB）工艺的微泵技术已经比较成熟，在各种产品中都一直在用。其技术路线在于不断扩大凸点间距。

第二个重要技术是混合键合，包括通过将介电材料（SiO2）与嵌入金属（Cu）结合以创建永久互连。其挑战在于，这种先进技术的制造复杂性和更高的成本。

凸点制造技术的发展

Cu-Cu混合键合是一种无凸点键合方法，它利用铜金属之间的直接键合，不需要使用凸点或其他中介层。在Cu-Cu混合键合中，铜金属之间的直接键合是通过表面处理和热压键合技术实现的。

不同封装技术的最小凸点间距

四、先进半导体封装技术趋势谁来驱动？

与单片IC相比，先进半导体封装有助于加快产品上市并降低成本。先进互连技术则可以提供低功耗、低延迟和高带宽连接，同时使集成电路良率更高，系统性能更好，还可以在同一封装中异构集成不同的硅IC或组件。

HPC芯片集成是推进先进封装的一大动力。处理器-内存差需要提高内存带宽来弥合，2.5D封装的HBM可以做到这一点。新兴的Al训练HPC也需要更多带宽，在逻辑上3D堆叠SRAM可进一步提升带宽，堆叠也能继续缩小3D键合间距，满足更高的带宽要求。

HPC芯片集成趋势

由于HPC先进封装的互连长度很短，将存储器3D堆叠在逻辑之上或反之亦然，这被认为是实现超高带宽的最佳方法。不过，其局限性包括逻辑IC中用于功率和信号的大量硅通孔（TSV）需要大量占位面积，管理逻辑IC存在高散热问题。

针对这些问题，发展路径有两条：一是利用TSV实现3D堆叠，主要用于存储器，使逻辑IC的I/O数量减少；二是开发2.5D封装技术，以有效耗散来自暴露的逻辑IC的热量。这些短期解决方案可在充分实现3D堆叠的潜力之前实现同构和异构集成。

数据中心服务器加速器封装单元出货量走势

五、先进封装的未来挑战

未来，先进封装的挑战主要来自一些新技术，如玻璃封装。玻璃基板具有耐高温、透光性好等特点，包括可调的热膨胀系数（CTE）、高尺寸稳定性和光滑平坦的表面，这些特性使其成为一种很有前途的中介层候选者，其布线特性有可能与硅媲美。

其中最关键的是随着带宽需求的不断增长，光纤和插座的成本越来越高。解决方案是开发生态系统，优化光学元件设计；加强产业链合作，优化生产流程，提高光纤制造的吞吐量和产量，降低生产成本。当然，对于玻璃封装技术，这方面也同样不容忽视。

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