半导体封装：3.5D技术解析

原创汽车电子设计 2024-09-09 07:45

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芝能智芯出品

随着半导体行业的快速发展，先进封装技术成为了提升芯片性能和功能密度的关键。

近年来，3.5D封装技术逐渐走向前台，作为2.5D和3D-IC技术之间的一种折中方案，3.5D封装结合了两者的优势，并在解决散热、噪声和信号完整性等方面展现出了独特的能力，技术的提出和应用标志着半导体封装领域的重大突破。

Part 1

3.5D 封装的优势与挑战

3.5D封装通过将逻辑芯片堆叠，并将它们分别粘合到其他组件共享的基板上，创造了一种新的架构。

这种架构的优势在于它能够有效解决热管理和噪声问题，同时提供了在高速设计中增加更多SRAM的可能性。

● SRAM作为处理器缓存的首选，虽然其扩展性已经遇到瓶颈，但通过3.5D封装技术，可以在不增加物理面积的情况下实现更多内存的集成。

● 此外，3.5D封装还能够缩短信号传输的距离，大幅提升处理速度，这对于人工智能和大数据应用尤为重要。

3.5D封装并非没有挑战。

● 完全集成的3D-IC在处理物理效应时遇到的困难依然存在，尤其是在散热和电源噪声方面。

● 随着芯片元件的增加，动态热梯度和电磁干扰问题也变得更加复杂。3.5D封装虽然在一定程度上缓解了这些问题，但在更复杂的应用场景中，仍然需要进一步的优化和改进。

3.5D封装技术在市场上的应用逐渐增多，特别是在高性能计算和数据中心领域，市场对高性能芯片的需求促使了3.5D封装的广泛应用，特别是在散热和信号完整性方面。

这种封装技术通过硅中介层实现芯片之间的高效连接，同时也提供了较好的散热性能，使其成为当前市场上性能最优的选择之一。除了数据中心，3.5D封装还被广泛应用于AI/ML领域。

随着大语言模型和深度学习的需求不断增长，处理器对高速内存的需求也随之增加。通过3.5D封装，可以在有限的物理空间内实现更高的计算能力和更低的功耗，从而满足这些领域的需求。

3.5D封装的应用并不仅限于高性能计算和AI/ML领域。随着工艺技术的进步，这种封装技术将在更多的消费电子、通信设备以及物联网设备中得到应用。这将进一步推动市场对3.5D封装技术的需求，促使其成为主流封装技术之一。

Part 2

技术演进与未来展望

3.5D封装技术的发展离不开工艺技术的不断进步。

● 近年来，随着晶圆工艺的进步，芯片堆叠技术得到了极大的提升。例如，三星代工业务开发副总裁Taejoong Song在最近的活动中展示了3.5D配置的路线图，计划在未来几年内实现2nm和4nm芯片的堆叠。

这一技术的发展将进一步提升3.5D封装的性能和集成度，使其能够满足更高性能和更复杂的应用需求。

● 混合键合技术的应用也为3.5D封装带来了新的可能性。通过混合键合，可以在更小的空间内实现更多的连接，从而提高封装的密度和性能。

这一技术的应用不仅能够提升芯片的集成度，还能够降低功耗和热量，使其在更广泛的应用场景中得到应用。

3.5D封装技术的发展仍面临一些挑战，

● 工艺的复杂性和制造成本是制约其大规模应用的主要因素。虽然当前的技术已经能够实现较为稳定的3.5D封装，但在大规模生产和应用中，仍需要进一步降低成本和提高良率。

● 其次，3.5D封装的可靠性和长期稳定性也需要进一步验证，特别是在高温和高压环境下的应用场景中。

3.5D封装技术的推广和应用还需要产业链各环节的密切合作。

● EDA工具、封装材料和测试设备的标准化是实现大规模应用的关键。IC设计师需要同时考虑热管理、信号完整性和电源完整性，这需要EDA工具的支持以及设计流程的优化。

● 此外，工艺/装配设计套件的标准化也是关键因素，这将帮助代工厂和OSAT（封测厂）更好地合作，推动3.5D封装技术的应用。产业链各环节的合作对于3.5D封装技术的推广至关重要。

从设计到制造，再到测试和封装，各个环节都需要密切配合，以确保3.5D封装技术的顺利实现。只有在整个产业链形成紧密合作的生态系统，3.5D封装技术才能真正实现大规模应用，并推动整个半导体行业的技术进步。

小结

3.5D封装技术作为半导体封装领域的又一重要创新，结合了2.5D和3D-IC的优势，解决了散热、噪声和信号完整性等方面的问题，为高性能计算、AI/ML和更多应用领域提供了新的解决方案。

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