详细解读先进封装技术

最近，在先进封装领域又出现了一个新的名词“3.5D封装”，以前听惯了2.5D和3D封装，3.5D封装又有什么新的特点呢？还是仅仅是一个吸引关注度的噱头？

今天我们就详细解读一下。

首先，我们要了解以下几个名词的确切含义，2.5D，3D，Hybrid Bonding，HBM。

2.5D

在先进封装领域，2.5D是特指采用了中介层（interposer）的集成方式，中介层目前多采用硅材料，利用其成熟的工艺和高密度互连的特性。 虽然理论上讲，中介层中可以有TSV也可以没有TSV，但在进行高密度互联时，TSV几乎是不可缺少的，中介层中的TSV通常被称为2.5D TSV。 2.5D封装的整体结构如下图所示。

3D

和2.5D是通过中介层进行高密度互连不同，3D是指芯片通过TSV直接进行高密度互连。 大家知道，芯片面积不大，上面又密布着密度极高的电路，在芯片上进行打孔自然不是容易的事情，通常只有Foundry厂可以做得到，这也是为什么到了先进封装时代，风头最盛的玩家成了TSMC, Intel, Samsung这些工艺领先的芯片厂商。因为最先进的工艺掌握在他们手里，在这一点上，传统的OSAT还是望尘莫及的。 在芯片上直接生成的TSV则被称为3D TSV，3D封装的整体结构如下图所示。

Hybrid Bonding

Hybrid Bonding混合键合技术，是一种在相互堆叠的芯片之间获得更密集互连的方法，并可实现更小的外形尺寸。 下图是传统凸点和混合键合技术的结构比较，传统凸点间距是 50 微米，每平方毫米有大约 400 个连接。混合键和Hybrid Bonding大约 10 微米的间距，可达到每平方毫米 10,000 个连接。

采用Hybrid Bonding技术可以在芯片之间实现更多的互连，并带来更低的电容，降低每个通道的功率。 下图是传统凸点技术和混合键合技术的加工流程比较，混合键合技术需要新的制造、操作、清洁和测试方法。

从图中我们可以看出，传统凸点焊接技术两个芯片中间是带焊料的铜柱，将它们附着在一起进行回流焊，然后进行底部填充胶。 混合键合技术与传统的凸点焊接技术不同，混合键合技术没有突出的凸点，特别制造的电介质表面非常光滑，实际上还会有一个略微的凹陷。在室温将两个芯片附着在一起，再升高温度并对它们进行退火，铜这时会膨胀，并牢固地键合在一起，从而形成电气连接。 混合键合技术可以将间距缩小到10 微米以下，可扩展的间距小于1微米，可获得更高的载流能力，更紧密的铜互联密度，并获得比底部填充胶更好的热性能。

HBM

随着人工智能技术的发展和需求，HBM现在越来越火热。 HBM（High-Bandwidth Memory ）高带宽内存，主要针对高端显卡GPU市场。HBM使用了3D TSV和2.5D TSV技术，通过3D TSV把多块内存芯片堆叠在一起，并使用2.5D TSV技术把堆叠内存芯片和GPU在Interposer上实现互连。下图所示为HBM技术示意图。

HBM既使用了3D封装技术和2.5D封装技术，应该归属于哪一类呢？有人认为HBM属于3D封装技术，也有人认为属于2.5D封装技术，其实都不确切。 通过和HMC的比较，就能得出正确的结论。 HMC（Hybrid Memory Cube）混合存储立方体，和HBM结构非常相似，HMC通过3D TSV集成技术把内存控制器（Memory Controller）集成到DRAM堆叠封装里。下图所示为HMC技术示意图。

对比HBM和HMC，我们可以看出，两者很相似，都是将DRAM芯片堆叠并通过3D TSV互连，并且其下方都有逻辑控制芯片。 两者的不同在于：HBM通过Interposer和GPU互连，而HMC则是直接安装在Substrate上，中间缺少了Interposer和2.5D TSV。 在《基于SiP技术的微系统》一书中，我总结了12种当今最主流的先进封装技术。下表是对这些主流先进封装技术横向比较。

可以看出，现有的先进封装技术中，HBM是唯一一种具备3D+2.5D的先进封装技术。 如果HMC被称为3D封装，那么比其多了Interposer和2.5D TSV的HBM应该被称为什么呢？ 一种新的封装命名需要呼之欲出了！ 按照以往的命名规则，2D封装加上Interposer后就变成了2.5D，那么3D封装加上Interposer自然就变成了3.5D，既合情合理，又符合了通用的命名法则。

3.5D

什么是3.5D，最简单的理解就是3D+2.5D，不过，既然有了全新的名称，必然要带有新的技术加持，这个新技术是什么呢？ 就是我们前文讲述的混合键和技术Hybrid Bonding。 混合键合技术应用于3D TSV的直接互连，省却了Bump，其界面互连间距可小于10um甚至1um，其互连密度则可达到每平方毫米10000~1000000个点。

这是传统的凸点互连远远无法达到的，因此，在高密度的3D互连中，凸点最终会消失，如下图所示，这一点也是我在以前的文章中阐述过的。

目前来说，3.5D就是3D+2.5D，再加上Hybrid Bonding技术的加持。

封装技术分类

由于3.5D的提法已逐渐被业界所普遍接受，我因此也更新一下电子集成技术的分类法，将3.5D放到了列表中。 这样，电子集成技术就分为：2D，2D+，2.5D，3D，3.5D，4D六种，如下图所示：

在更新的分类方法中，我并未强调Hybrid Bonding混合键合技术，因此，3.5D最简单的理解就是3D+2.5D。

在高密度先进封装的3D互连中，凸点必将消失，混合键合Hybrid Bonding是必然的趋势，因此也就无需特意强调了。

在12种当今最主流的先进封装技术中，只有HBM满足3D+2.5D结构，因此，HBM可以说是第一种真正的3.5D封装技术。

审核编辑：汤梓红