一、3D功能封裝技術(shù)的基本概念

3D功能封裝技術(shù)，又稱為疊層芯片封裝技術(shù)，是一種在不改變封裝體尺寸的前提下，于同一個(gè)封裝體內(nèi)垂直方向疊放兩個(gè)以上芯片的封裝技術(shù)。

傳統(tǒng)的芯片封裝多是在二維平面上進(jìn)行，隨著芯片技術(shù)發(fā)展，面臨著一些挑戰(zhàn)。例如，隨著芯片功能不斷增加，芯片面積增大，按照傳統(tǒng)方式制造大芯片會(huì)面臨良率、復(fù)雜工藝等難以調(diào)和的矛盾。3D封裝技術(shù)則將原本需要一次性流片的大芯片拆分成若干小面積的芯片（這些小芯片被稱為Chiplet），再通過先進(jìn)的封裝工藝（硅片層面的封裝）將這些小芯片組裝成一顆大芯片，從而實(shí)現(xiàn)大芯片的功能和性能。

它與2.5D封裝技術(shù)有所不同。2.5D是在二維平面上，基于硅中介層（Interposer）將Chiplet組成一個(gè)大芯片，Chiplet之間在硅中介層上通過數(shù)據(jù)交互形成系統(tǒng)級(jí)芯片；而3D封裝是在三維空間組裝芯片，垂直方向堆疊更多小芯片以集成更多功能。例如在3D封裝結(jié)構(gòu)中，像HBM（High Bandwidth Memory）寬帶存儲(chǔ)顆粒與下面的Die（裸片）之間可以通過微凸塊（Microbump）不斷往上堆疊多層，層與層之間通過硅穿孔（TSV，Through -Silicon -Via）來打通硅襯底，使得信號(hào)能在垂直方向（z方向）傳輸，并且為了實(shí)現(xiàn)不同層間高速io、GPU、CPU或者SoC的Die之間的連通（這些Die基本采用先進(jìn)節(jié)點(diǎn)制作，Pitch間距比較?。?，還需要通過再分布層（RDL）在左右xy方向上進(jìn)行信號(hào)拉通，最后將所有東西集成到封裝基板上，其下面還有不含有晶體管的Interposer硅載板。

二、3D功能封裝技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

3D功能封裝技術(shù)在眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

（一）高性能計(jì)算領(lǐng)域 在高性能計(jì)算方面，如CPU和GPU等核心計(jì)算芯片的封裝。以AMD為例，AMD的霄龍（EPYC）處理器系列通過3D封裝技術(shù)集成不同工藝的芯片，如io Die采用14nm的成熟工藝，CPU采用7nm最新工藝，這樣集成不同工藝的芯片大幅提高了芯片的良率，并且在每一個(gè)CPU Die上集成額外的Level 3緩存（Cache）提升了處理器性能。英特爾推出的Ponte Vecchio芯片，通過5種不同工藝將超過1000億個(gè)晶體管、47顆小芯片集成到一顆大芯片上，展現(xiàn)出3D封裝在高性能計(jì)算芯片上集成眾多功能模塊的能力。

（二）人工智能領(lǐng)域 人工智能算法對(duì)計(jì)算能力和數(shù)據(jù)處理速度要求極高。3D封裝技術(shù)能夠在有限的空間內(nèi)集成更多的處理單元和存儲(chǔ)單元，加速數(shù)據(jù)的傳輸和處理。例如在一些AI芯片中，可以將多個(gè)計(jì)算核心與大容量的高速緩存或內(nèi)存通過3D封裝緊密結(jié)合在一起。通過垂直堆疊芯片，可以縮短信號(hào)傳輸距離，提高數(shù)據(jù)傳輸帶寬，從而滿足人工智能應(yīng)用對(duì)大量數(shù)據(jù)的快速處理需求。

（三）智能手機(jī)領(lǐng)域 隨著智能手機(jī)功能不斷增強(qiáng)，對(duì)芯片性能、功耗和空間利用的要求也越來越高。3D封裝技術(shù)有助于在更小的空間內(nèi)集成更多功能的芯片。例如集成處理器、圖形處理單元、調(diào)制解調(diào)器以及各種傳感器芯片等。通過3D封裝，可以提高芯片集成度，減少手機(jī)主板空間占用，同時(shí)也有助于降低功耗，延長電池續(xù)航時(shí)間。

（四）汽車電子領(lǐng)域 汽車電子系統(tǒng)對(duì)芯片的可靠性、安全性和高性能有著嚴(yán)格要求。3D封裝技術(shù)可以將不同功能的芯片（如汽車的控制芯片、傳感器芯片、通信芯片等）集成在一起。一方面提高了系統(tǒng)的集成度，減少了布線長度和連接點(diǎn)，從而提高了系統(tǒng)的可靠性；另一方面，也有利于實(shí)現(xiàn)汽車電子系統(tǒng)的小型化和輕量化，滿足汽車行業(yè)對(duì)于電子設(shè)備空間和重量的限制要求。

三、3D功能封裝技術(shù)的優(yōu)勢與劣勢

（一）優(yōu)勢

（1）高性能

3D封裝技術(shù)能夠顯著提高芯片的性能。通過垂直堆疊芯片，可以大大縮短芯片之間的信號(hào)傳輸距離，減少信號(hào)延遲。例如在高性能計(jì)算中，CPU和GPU之間或者芯片內(nèi)部不同功能模塊之間的通信，如果采用3D封裝，信號(hào)傳輸路徑更短，數(shù)據(jù)交換速度更快。并且由于可以集成更多的功能模塊在一個(gè)封裝內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的功能，如AMD在霄龍?zhí)幚砥髦屑筛嗑彺鎭硖嵘阅堋?/p>

（2）高集成度

可以在不改變封裝體尺寸的情況下，在垂直方向堆疊多個(gè)芯片，使得在有限的空間內(nèi)集成更多的功能。這對(duì)于空間要求嚴(yán)格的設(shè)備（如智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備等）非常重要。能夠?qū)⒍鄠€(gè)不同功能的芯片（如計(jì)算芯片、存儲(chǔ)芯片、傳感器芯片等）集成到一個(gè)封裝體中，減少了整個(gè)系統(tǒng)的體積和重量，提高了設(shè)備的便攜性和集成度。

（3）成本效益

在一定程度上可以降低成本。對(duì)于一些不需要最先進(jìn)工藝的功能模塊，可以采用成熟工藝制造的小芯片（Chiplet），然后通過3D封裝技術(shù)集成在一起，避免了整個(gè)大芯片都采用昂貴的先進(jìn)工藝生產(chǎn)。例如，在一個(gè)包含多種功能的大芯片中，部分功能模塊對(duì)工藝要求不高，采用成熟工藝制造小芯片后再進(jìn)行3D封裝，降低了生產(chǎn)成本。同時(shí)，由于提高了集成度，減少了芯片之間的連接線路等，也有助于降低制造成本。

（4）可擴(kuò)展性

便于根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行功能擴(kuò)展和定制。可以靈活地選擇不同功能的小芯片進(jìn)行堆疊封裝，滿足多樣化的市場需求。比如針對(duì)不同性能要求的服務(wù)器芯片，可以通過調(diào)整堆疊的小芯片數(shù)量、類型（如計(jì)算核心數(shù)量、緩存大小等）來實(shí)現(xiàn)不同的性能等級(jí)。

（二）劣勢

（1）散熱問題

由于多個(gè)芯片在垂直方向緊密堆疊，芯片的散熱變得更加困難。芯片在工作過程中會(huì)產(chǎn)生熱量，而3D封裝結(jié)構(gòu)使得熱量難以快速散發(fā)出去，容易導(dǎo)致芯片溫度過高。過高的溫度會(huì)影響芯片的性能和可靠性，甚至可能導(dǎo)致芯片損壞。例如在高性能計(jì)算場景下，長時(shí)間高負(fù)載運(yùn)行時(shí)，3D封裝的芯片如果散熱措施不到位，就會(huì)出現(xiàn)性能下降甚至故障的情況。

（2）設(shè)計(jì)和制造復(fù)雜性

3D封裝技術(shù)的設(shè)計(jì)和制造過程相對(duì)復(fù)雜。在設(shè)計(jì)方面，需要考慮如何合理布局各個(gè)小芯片，確保信號(hào)傳輸?shù)耐暾浴㈦娫捶峙涞暮侠硇缘?。例如在垂直堆疊芯片時(shí)，要考慮不同層芯片之間的信號(hào)互連方式、信號(hào)干擾等問題。在制造方面，涉及到高精度的芯片堆疊、硅穿孔（TSV）制作、微凸塊（Microbump）連接等工藝，這些工藝的要求很高，增加了制造的難度和成本。

（3）測試難度增加

由于3D封裝結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，芯片的測試變得更加困難。傳統(tǒng)的測試方法可能無法滿足3D封裝芯片的測試需求。例如，在測試垂直堆疊芯片內(nèi)部的某個(gè)小芯片時(shí)，由于周圍芯片的遮擋和信號(hào)干擾等因素，很難準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行功能和性能測試。而且在封裝完成后，如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)小芯片存在問題，修復(fù)和更換的難度也很大。

四、3D功能封裝技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法

（一）芯片切割與準(zhǔn)備

首先要將大芯片切割成小的Chiplet。這些Chiplet可以根據(jù)功能需求采用不同的工藝制造。例如在AMD的案例中，霄龍?zhí)幚砥飨盗兄械膇o Die采用14nm工藝，CPU Die采用7nm工藝。在切割過程中，需要保證芯片的完整性和質(zhì)量，以便后續(xù)的封裝操作。

（二）硅穿孔（TSV）技術(shù)

TSV是3D封裝中的關(guān)鍵技術(shù)之一。它是穿過硅襯底的一種結(jié)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)垂直方向上不同芯片之間的信號(hào)連接。制作TSV需要精確的光刻、蝕刻等工藝。例如在HBM與下面的Die連接中，通過TSV打通硅襯底，使得信號(hào)能夠在z方向傳輸。在制作TSV時(shí)，要控制好其深寬比、孔徑大小等參數(shù)，以確保信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量和可靠性。

（三）微凸塊（Microbump）連接

微凸塊用于連接垂直堆疊的芯片。在芯片表面制作微小的凸塊，通過這些凸塊實(shí)現(xiàn)上下層芯片之間的電氣連接。在堆疊過程中，要保證微凸塊與對(duì)應(yīng)的連接點(diǎn)精確對(duì)準(zhǔn)，這需要高精度的芯片貼裝設(shè)備和工藝。例如在3D封裝結(jié)構(gòu)中，HBM的Die和下面的Die就是通過微凸塊不斷往上堆疊多層的。

（四）再分布層（RDL）

RDL用于在水平方向（xy方向）上調(diào)整信號(hào)的布線。由于芯片內(nèi)部不同功能模塊之間的間距（Pitch）較小，需要通過RDL將信號(hào)進(jìn)行拉通，以實(shí)現(xiàn)芯片之間的通信。在設(shè)計(jì)RDL時(shí)，要考慮布線的長度、寬度、間距等因素，以滿足信號(hào)傳輸?shù)母咚俸偷脱舆t要求。例如在高速io、GPU、CPU或者SoC的Die之間的連通就需要RDL來進(jìn)行信號(hào)的調(diào)整。

（五）封裝基板與硅載板（Interposer）

最后將堆疊好的芯片集成到封裝基板上，在這個(gè)過程中，可能會(huì)用到硅載板（Interposer）。硅載板本身也是一顆芯片，只是不含有晶體管。它可以提供更好的信號(hào)傳輸和電源分配性能，同時(shí)也有助于提高整個(gè)封裝結(jié)構(gòu)的機(jī)械穩(wěn)定性。例如在3D封裝結(jié)構(gòu)中，下面的Interposer硅載板起到了整合所有芯片并與封裝基板連接的作用。

五、3D功能封裝技術(shù)的案例分析

（一）AMD的霄龍（EPYC）處理器系列

AMD的霄龍?zhí)幚砥飨盗惺?D封裝技術(shù)應(yīng)用的典型案例。

• 在這個(gè)系列中，AMD通過Chiplet技術(shù)和先進(jìn)封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了性能的質(zhì)的飛躍。霄龍?zhí)幚砥骷闪瞬煌に嚨男酒鏸o Die采用成熟的14nm工藝，CPU Die采用最新的7nm工藝。這種集成方式提高了芯片的良率，并且在成本控制上有一定優(yōu)勢。

• 第三代霄龍產(chǎn)品更是集成了3D V - cache技術(shù)，在每個(gè)CPU Die上都集成了額外的Level 3的緩存（Cache），整體緩存容量超過700 MB。這一舉措顯著提升了處理器的性能，在數(shù)據(jù)中心等對(duì)性能要求極高的應(yīng)用場景中表現(xiàn)出色。新思科技在與AMD的合作中，采用AMD最新的處理器進(jìn)行測試，VCS驗(yàn)證效率實(shí)現(xiàn)了66%以上的性能提升。并且據(jù)客戶反饋，采用AMD最新3D IC封裝的芯片，打游戲的體驗(yàn)也有質(zhì)的飛躍。

（二）英特爾的Ponte Vecchio芯片

英特爾的Ponte Vecchio芯片也是3D封裝技術(shù)的一個(gè)成功范例。

• 該芯片通過5種不同的工藝將超過1000億個(gè)晶體管、47顆小芯片集成到一顆大芯片上。這種高度集成的方式展示了3D封裝技術(shù)在集成眾多小芯片方面的強(qiáng)大能力。通過將不同功能、不同工藝制造的小芯片集成在一起，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的功能，滿足了高性能計(jì)算等應(yīng)用的需求。

六、3D功能封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢

（一）更高的集成度

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，3D封裝技術(shù)將朝著更高的集成度方向發(fā)展。未來有望在一個(gè)封裝體內(nèi)集成更多數(shù)量、更多種類的小芯片。例如在人工智能領(lǐng)域，可能會(huì)將更多的AI計(jì)算核心、不同類型的存儲(chǔ)芯片（如高速緩存、大容量內(nèi)存等）以及專門用于數(shù)據(jù)預(yù)處理的芯片集成在一起，從而實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的人工智能計(jì)算能力。這將進(jìn)一步推動(dòng)芯片在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多功能，滿足各種復(fù)雜應(yīng)用場景（如自動(dòng)駕駛汽車、超級(jí)計(jì)算機(jī)等）對(duì)芯片性能和功能的高要求。

（二）改進(jìn)散熱技術(shù)

針對(duì)3D封裝散熱困難的問題，散熱技術(shù)將不斷改進(jìn)。一方面，新的散熱材料可能會(huì)被研發(fā)和應(yīng)用，這些材料具有更高的熱導(dǎo)率，能夠更有效地將芯片產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)出去。例如，一些新型的石墨烯基散熱材料或者高導(dǎo)熱陶瓷材料可能會(huì)被應(yīng)用于3D封裝芯片的散熱。另一方面，散熱結(jié)構(gòu)也會(huì)不斷優(yōu)化。例如，設(shè)計(jì)更高效的散熱通道，采用微流道冷卻技術(shù)，通過在芯片內(nèi)部或封裝結(jié)構(gòu)中構(gòu)建微小的冷卻液流動(dòng)通道，將熱量快速帶走；或者采用3D散熱結(jié)構(gòu)，如立體的散熱鰭片等，增加散熱面積，提高散熱效率。

（三）提升設(shè)計(jì)與制造技術(shù)

為了應(yīng)對(duì)3D封裝技術(shù)設(shè)計(jì)和制造的復(fù)雜性，相關(guān)的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)將不斷提升。

• 在設(shè)計(jì)方面，會(huì)有更先進(jìn)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）工具出現(xiàn)。這些工具能夠更好地對(duì)3D封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模、仿真和優(yōu)化，幫助工程師在設(shè)計(jì)階段就準(zhǔn)確預(yù)測信號(hào)完整性、電源完整性、熱分布等問題，并進(jìn)行合理的布局和布線。例如，能夠更精確地模擬不同層芯片之間的信號(hào)傳輸特性，優(yōu)化信號(hào)路徑，減少信號(hào)干擾。

• 在制造方面，光刻、蝕刻、芯片堆疊等工藝技術(shù)將不斷提高精度和可靠性。例如，光刻技術(shù)可能會(huì)朝著更高分辨率、更小線寬的方向發(fā)展，從而能夠制造出更小尺寸、更高密度的TSV和微凸塊等結(jié)構(gòu)。同時(shí)，芯片堆疊工藝也會(huì)更加精確和穩(wěn)定，提高3D封裝的成品率。

（四）與其他技術(shù)的融合

3D封裝技術(shù)將與其他先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行融合發(fā)展。

• 與Chiplet技術(shù)的融合將更加深入。Chiplet技術(shù)為3D封裝提供了更多可選擇的小芯片單元，3D封裝則為Chiplet提供了一種高效的集成方式。兩者相輔相成，未來將共同推動(dòng)芯片架構(gòu)的創(chuàng)新和發(fā)展。例如，通過標(biāo)準(zhǔn)化的Chiplet接口和3D封裝技術(shù)，可以更方便地實(shí)現(xiàn)不同來源的Chiplet集成，加速芯片的定制化和多樣化發(fā)展。

• 與新興的計(jì)算技術(shù)（如量子計(jì)算、神經(jīng)形態(tài)計(jì)算等）結(jié)合。在量子計(jì)算領(lǐng)域，3D封裝技術(shù)可能用于集成量子比特（qubit）及其控制電路，提高量子芯片的集成度和性能；在神經(jīng)形態(tài)計(jì)算中，3D封裝有助于將模擬神經(jīng)元和突觸的電路與數(shù)字處理電路集成在一起，構(gòu)建更高效的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算芯片。

先進(jìn)芯片封裝清洗介紹

合明科技研發(fā)的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

水基清洗的工藝和設(shè)備配置選擇對(duì)清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會(huì)作為一個(gè)長期的使用和運(yùn)行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環(huán)境中的濕氣，通電后發(fā)生電化學(xué)遷移，形成樹枝狀結(jié)構(gòu)體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內(nèi)的浮點(diǎn)、灰塵、塵埃等，這些污染物會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)質(zhì)量降低、焊接時(shí)焊點(diǎn)拉尖、產(chǎn)生氣孔、短路等等多種不良現(xiàn)象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關(guān)注的呢？助焊劑或錫膏普遍應(yīng)用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質(zhì)在所有污染物中的占據(jù)主導(dǎo)，從產(chǎn)品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產(chǎn)品質(zhì)量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質(zhì)引發(fā)接觸電阻增大，嚴(yán)重者導(dǎo)致開路失效，因此焊后必須進(jìn)行嚴(yán)格的清洗，才能保障電路板的質(zhì)量。

合明科技運(yùn)用自身原創(chuàng)的產(chǎn)品技術(shù)，滿足芯片封裝工藝制程清洗的高難度技術(shù)要求，打破國外廠商在行業(yè)中的壟斷地位，為芯片封裝材料全面國產(chǎn)自主提供強(qiáng)有力的支持。