傻白入门芯片设计，典型的2D/2D+/2.5D/3D封装技术（六）

集成电路终于成为了一级学科，对集成电路领域的投入也日益加大，集成电路属于电子集成技术的一种，那么，现在的电子集成技术发展到了什么程度呢？

先进的电子集成技术可以在不到芝麻粒大小的1平方毫米内集成1亿只以上的晶体管，一个指甲盖大小的芯片上集成的晶体管数量可轻松超过100亿甚至更多，而目前地球上的总人口才不到80亿。

本篇文章，侧重于2D封装，2D+封装，2.5D封装，3D封装，当然电子集成技术不止这些，想要更多的了解可以看文末的参考链接。首先我们可以将电子集成技术分为三个层次，芯片上的集成，封装内的集成，PCB板级集成，其代表技术分别为SoC，SiP和PCB（也可以称为SoP或者SoB）。（戳下面的链接了解SoC何SiP的区别）：(18条消息) 傻白入门芯片设计，IP, MCM, SiP, SoC 和 Chiplet的区别（二）_好啊啊啊啊的博客-CSDN博客https://blog.csdn.net/qq_46675545/article/details/128027666?spm=1001.2014.3001.5501

理解集成的时候，人们通常通过物理结构来判断，今天，我们提出电子集成技术分类的两个重要判据：1.物理结构，2.电气连接(电气互连)。

通过这两个判据，我们将电子集成分为7类：2D集成，2D+集成，2.5D集成，3D集成，4D集成，Cavity集成，Planar集成。其中前面5类是位于基板之上，属于组装（Assembly）范畴，后面2类位于基板之内，属于基板制造（Fabrication）范畴。故此命名为（5+2）分类法。请参看下表：

芯片上的集成主要以2D为主，晶体管以平铺的形式集成于晶圆平面；同样，PCB上的集成也是以2D为主，电子元器件平铺安装在PCB表面，因此，二者都属于2D集成。而针对于封装内的集成，情况就要复杂的多，并且业界目前对电子集成的分类还没有形成统一的共识。

目录

一、2D封装

 A. 台积电InfO技术：

B. 日月光eWLB技术：

二、2D+封装

三、3D封装

 A.台积电 SoIC技术：

B. 英特尔Foveros技术：

C. 三星X-Cube 技术：

四、2.5D封装

 A. 英特尔EMIB技术：

B. 台积电CoWoS技术：

C. 三星I-Cube技术：

2D 封装是指在基板的表面水平安装所有芯片和无源器件的集成方式。以基板 (Substrate) 上表面的左下角为原点，基板上表面所处的平面为XY平面，基板法线为Z轴，创建坐标系。

物理结构：所有芯片和无源器件均安装在基板平面，芯片和无源器件和 XY 平面直接接触，基板上的布线和过孔均位于 XY 平面下方；电气连接：均需要通过基板（除了极少数通过键合线直接连接的键合点）

2D封装上包括FOWLP、FOPLP等技术。在FOWLP领域，各大公司都推出了不同命名方式的封装，例如台积电的InFO（Integrated FanOut technology）、日月光的eWLB（embedded Wafer-level ball grid array）、华天科技的eSiFO、长电科技的ECP。

InFO：集成扇出型封装技术InFO，一个创新的晶圆级系统集成技术平台，具有高密度RDL 和TIV 的特点，可用于高密度互连和各种应用。InFO封装与CoWoS很类似，InFO-R和InFO-L与CoWoS-R和CoWoS-L几乎是一比一对应。实际上，InFO技术与大多数封装厂的Fan-out类似，可以理解为多个芯片Fan-out工艺的集成，主要区别在于去掉了silicon interposer，使用一些RDL层进行串连。苹果2016年推出的iPhone7中的A10处理器，采用台积电16nm FinFET工艺以及InFO技术，成功将AP与LPDDR整合在同一个封装中。        

eWLB：嵌入式晶圆级球栅阵列eWLB，是一种扇出型晶圆级封装（Fan-out Wafer-Level Package 缩写FO-WLP）技术，将芯片重新布置到一块人工晶圆上，然后向芯片四周扇出重布线、植球、然后进行封装。值得注意的是，国内长电科技旗下星科金朋新加坡厂同样拥有eWLB封装，如下图：（来自于日月光） 

2D+封装是指的传统的通过键合线连接的芯片堆叠集成。也许会有人问，芯片堆叠不就是3D吗，为什么要定义为2D+封装呢？

主要基于以下两点原因：1）3D封装目前在很大程度上特指通过3D TSV的集成，为了避免概念混淆，我们定义这种传统的芯片堆叠为2D+封装；2）虽然物理结构上是3D的，但其电气互连上均需要通过基板，即先通过键合线键合到基板，然后在基板上进行电气互连。这一点和2D封装相同，比2D封装改进的是结构上的堆叠，能够节省封装的空间，因此称之为2D+封装。

物理结构：所有芯片和无源器件均地位于XY平面上方，部分芯片不直接接触基板，基板上的布线和过孔均位于XY平面下方；电气连接：均需要通过基板（除了极少数通过键合线直接连接的键合点）。

下图所示几种集成均属于2D+封装：

随着工艺技术不断缩放，设计复杂性不断增加，传统的二维集成芯片设计可能不再赶上摩尔定律的缩放趋势。此外，二维集成电路设计难以满足市场快速增长的高性能需求。于是从三维的概念寻找解决方案。它通过垂直堆叠芯片，用更短的互连和高带宽连接起来，弥补了二维集成电路设计的缺点。2D封装中需要大量长程互连，导致电路RC延迟的增加。为了提高信号传输速度，必须降低RC延迟，那么用3D封装的短程垂直互连来替代2D封装的长程互连是封装工艺技术向更高阶发展的必然趋势。整个半导体市场走向3D的明显例子——内存。存储器向3D结构的推进是对未来发展的一个很好的说明。这种技术可以提供更高的带宽、更低的功率、更低的成本和更灵活的形状因子：

SiP进一步将多个芯片层叠放置并且互相连接，使用在三维方向的堆叠技术，也就是3D芯片封装技术。和2.5D的区别是后者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。3D封装将CPU/GPU/SoC与DRAM堆叠并在垂直方向上连接整合，封装的面积比2.5D封装工艺更小，并且在2.5D封装的基础上还去掉了TSV的 interposer的部分。

3D领域主要有台积电的SoIC（System of Integrated Chips）技术、英特尔的Foveros技术、三星的X-Cube（eXtended-Cube）技术。物理结构：所有芯片和无源器件均XY平面上方，至少有部分芯片和无源器件安装在中介层上（Interposer），在XY平面的上方有中介层的布线和过孔，在XY平面的下方有基板的布线和过孔。电气连接：中介层（Interposer）可提供位于中介层上的芯片的电气连接

SoIC技术：属于3D封装，是一种晶圆对晶圆(Wafer-on-wafer)的键合技术。SoIC技术是采用TSV技术，可以达到无凸起的键合结构，把很多不同性质的临近芯片整合在一起，而且当中最关键、最神秘之处，就在于接合的材料，号称是价值高达十亿美元的机密材料。SoIC技术将同质和异质小芯片集成到单个类似SoC的芯片中，具有更小尺寸和更薄的外形，可以整体集成到先进的WLSI（又名CoWoS和InFO）中。从外观上看，新集成的芯片就像一个通用的SoC芯片，但嵌入了所需的异构集成功能。

Foveros技术：同样也是3D封装的一种。封装基底之上安放一个底层芯片，起到主动中介层的作用。在中介层里有大量的TSV 3D硅穿孔，负责联通上下的凸块，让上层芯片和模块与系统其他部分通信。相较于EMIB的凸点间距为55-36um，Foveros将凸点间距进一步降低为50-25um。从3D Foveros的结构上看，最下边是封装基底，之上安放一个底层芯片，起到主动中介层的作用。在中介层里有大量的TSV 3D硅穿孔，负责联通上下的焊料凸起，让上层芯片和模块与系统其他部分通信.

X-Cube ：3D封装技术，使用TSV工艺，目前三星的X-Cube测试芯片已经能够做到将SRAM层堆叠在逻辑层之上，通过TSV进行互联，制程是他们自家的7nm EUV工艺。 

然而，三维集成电路设计暴露了一些弱点，如通过硅通孔（TSV）的大开销和高温问题。随后，提出了基于interposer的2.5D 的封装设计，以克服3D集成存在的问题，并保持其优势。2.5D本身是一种在客观世界并不存在的维度，因为其集成密度超越了2D，但又达不到3D的集成密度，取其折中，因此被称为2.5D。 在先进封装领域，2.5D是特指采用了中介层进行高密度I/O互连的封装，其特点是多Die集成和高密度性。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。根据目前的工艺水平，2.5D 封装又主要分为重布线层（RDL）Interposer和Si Interposer。

 2.5D封装结构通常将芯片面朝下安装在具有一系列微型凸点（micro-bumps，ubmps）的中介层上．目前的ubmps间距为40~40um，正在开发20um和10um的间距技术．ubmps提供从上层堆叠的芯片到中介层里金属布线层的连接．金属布线层采用与常规2D独立芯片上金属互连相同的后端工艺制造．中介层上还使用了１个超薄芯片，用于TSV将输入输出路由到C4凸点．数据从芯片出发，通过１个微凸点，穿过中介层的金属布线层，在通过另一个C4凸点，最后达到目标芯片的顶层金属。

 3D封装和2.5D封装的主要区别在于：2.5D封装是在Interposer上进行布线和打孔，而3D封装是直接在芯片上打孔和布线，电气连接上下层芯片。2.5D封装通常是指既有2D的特点，又有部分3D的特点，其中的代表技术包括英特尔的EMIB（Embedded Multi-Die Interconnect Bridge）、台积电的CoWoS（ Chip-on-Wafer-on-Substrate）、三星的I-Cube（Interposer-Cube）。

EMIB：嵌入式硅桥（Embedded Multi-die Interconnect Bridge），将基底技术和硅中介层技术结合起来。它在基板上集成了小的薄层——硅桥（ Silicon Bridge ），用于芯片间的互连，并将硅桥嵌入封装基板中。英特尔的EMIB的概念与2.5D封装类似，但与传统2.5D封装的区别在于没有TSV。也正是这个原因，EMIB技术具有正常的封装良率、无需额外工艺和设计简单等优点。 EMIB如图所示：（来自于英特尔）

CoWoS技术：片上晶圆基板（Chip on Wafer on Substrate）， 一种基于硅中介层的2.5D集成封装技术。将芯片通过Chip on Wafer的封装制程连接至Wafer，再把CoW芯片与Substrate（基板）连接，整合成CoWoS。并使用硅载片上的高密度走线进行互联。CoWoS封装如下图所示：（来自于台积电）

        CoWoS基于不同的中介层拓展了三种技术。根据中介层的不同可以分为三类，一种是CoWoS_S使用Si衬底作为中介层，另一种是CoWoS_R使用RDL作为中介层，第三种是CoWoS_L使用小芯片（Chiplet）和RDL作为中介层。

        台积电InFO与CoWoS之间的区别在于，CoWoS针对高端市场，连线数量和封装尺寸都比较大；InFO针对性价比市场，封装尺寸较小，连线数量也比较少。

I-Cube：具有的先进封装包括I－Cube、X－Cube、R－Cube和H－Cube四种方案。其中，三星的I-Cube同样也属于2.5D封装。2018年，三星发布了I-Cube2，可以集成一个逻辑裸片和两个HBM裸片的技术。目前，三星推出下一代2.5D封装技术是I-Cube4。I-Cube4包含四个HBM和一个逻辑芯片，是I-Cube2的进一步升级。I-Cube封装如下图：（来自于三星）

在数据带宽方面，3D集成架构更好，这需要更好的热设计。该体系结构更适合于高性能计算，如数据中心、网络、服务器等。在成本方面，2.5D集成架构不需要具有高密度TSV的多层交互器；因此，这个过程不那么困难。该架构更适合于移动设备、笔记本电脑、可穿戴电子设备等应用。在芯片材料方面，由于热膨胀系数相同，多个均匀芯片采用3D集成结构，有利于提高机械可靠性；异质芯片更适合2.5D集成结构（如EMIB集成技术），具有较高的系统散热性能，同时其面积会增大。国际领先厂商先进封装领域布局如下：

参考资料：

先进封装，风暴袭来_腾讯新闻 (qq.com)

先进封装之盖楼大法——2.5D、3D封装 - 知乎 (zhihu.com)

这是我目前见过最好的先进封装技术讲解文章 - 知乎 (zhihu.com)

2.5D和3D集成有何不同？看完这篇你就懂了 来源：内容由半导体行业观察（ID:icbank）转载自公众号「SiP与先进封装技术」，谢谢。 导 读 当今，如果要评选国... - 雪球 (xueqiu.com)