[发布日期：2022-11-10 11:28:24] 点击：
芯片3D封装技术，又称为叠层芯片封装技术，是指在不改动封装体尺寸的前提下，在一个封装体内的垂直方向叠放两个以上芯片的封装技术。近年来，支撑3D封装的关键技术硅通孔(Through Silicon Via，TSV)不断获得突破，国际芯片巨头加快布局，以TSV为核心的3D封装技术已成为业界公认的新一代封装技术的重要发展方向。在后摩尔时代，如何结合我国芯片封装产业优势，发力3D封装关键共性技术，以抢占机遇实现逆势突围，是十分值得探究的问题。
一、芯片发展迈入后摩尔时代
长期以来，芯片制程微缩技术一直驱动着摩尔定律的延续。从1987年的1um制程到2015年的14nm制程，芯片制程迭代速度一直遵循摩尔定律的规律，即芯片上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月到24个月便会增加一倍。但2015年以后，芯片制程的发展速度进入了瓶颈期，7nm、5nm制程的芯片量产进度均落后于预期。全球领先的晶圆代工厂台积电3nm制程芯片量产遇阻，2nm制程芯片的量产更是排到了2024年后，芯片制程工艺已接近物理尺寸的极限1nm，芯片产业迈入了后摩尔时代。
在后摩尔时代，芯片的发展逐渐演化出了不同的技术方向。其中之一的“More Moore”方向，主要是研发新方法沿着摩尔定律的道路继续向前推进，不断缩小芯片制程。而另一个方向则是“More than Moore”(超越摩尔)，主要是发展之前摩尔定律演进过程中未开拓的技术方向。先进封装便是超越摩尔技术方向的一种重要实现路径。
二、封装技术概况
芯片封装是芯片成品至关重要的一步，在过去，封装定义为保护电路芯片免受周围环境的影响，包括来自物理、化学方面的影响。随着芯片技术的不断发展，封装技术在提高芯片性能方面也开始扮演了重要的角色。
据《中国半导体封装业的发展》报告，迄今为止全球芯片封装产业可分为五个发展阶段，自第三阶段起的封装技术统称为先进封装技术。第一阶段是20世纪70年代的元件插装，特点是用针脚引出电极连通电信号，主要包括直插型封装(DIP)等技术。第二阶段是20世纪80年代的表面贴装，特点是用更细更短板的引线代替针脚，直接贴装至印刷电路板(PCB)，主要包括小外形封装(SOP)等技术。第三阶段是20世纪90年代的面积阵列封装，特点是用体积更小的焊球点代替引线，通过芯片倒扣的方式进行倒装以提升晶体管密度，主要包括球栅阵列封装(BGA)、芯片尺寸封装(CSP)、晶圆级封装(WLP)等技术。第四阶段是20世纪末的异质整合，特点是将不同类型、功能的芯片整合在同一个封装体内，主要包括多芯片组封装(MCM)、系统级封装(SiP)等技术。第五阶段是21世纪初的3D堆叠，特点是将多个芯片在垂直方向上进行封装，主要包括倒装芯片(Flip Chip)、硅通孔(TSV)等技术。
随着芯片产业的迅速发展，芯片间数据交换也在成倍增长,传统的芯片封装方式已经不能满足巨大的数据量处理需求。另外，随着“More Moore”技术路线逐步进入物理极限，制程工艺提升放缓，以3D堆叠封装为代表的先进封装技术将成为未来的重要发展方向。例如，苹果公司在2022年春季推出的M1 Ultra芯片就是通过UltraFusion 3D封装架构将两个M1 Max芯片互联，打造出一款M1系列史上性能最强的SoC芯片。近年来，支撑3D封装的关键技术TSV不断获得突破，国际芯片巨头加快布局，以TSV为核心的3D封装技术已成为业界公认的新一代封装技术的重要发展方向。
三、3D封装技术发展现状
芯片3D封装，又称为叠层芯片封装技术，是指在不改动封装体尺寸的前提下，在一个封装体内的垂直方向叠放两个以上芯片的封装技术。近二十年来，3D封装沿着封装堆叠及IC裸芯片焊接(键合)技术方向经历了三个重要的技术工艺阶段：丝焊技术工艺、倒装芯片技术工艺和通孔技术工艺，其中通孔技术工艺中的TSV技术被称为第四代封装技术。
TSV技术可以穿过硅基板实现硅片内部垂直电互联，这项技术是目前唯一的垂直电互联技术，是实现3D先进封装的关键技术之一。TSV采用金属-金属键合和高分子粘结键合技术，通过铜、钨、多晶硅等导电物质的填充进行硅通孔的垂直电互连，从而实现晶圆堆叠、芯片堆叠。TSV技术通过垂直互连减小了芯片间互联长度和信号延迟，降低了电容，实现了芯片间的低功耗和高速通讯，大幅提升了提升芯片性能，是解决摩尔定律失效的重要技术之一。全球政府机构和科技巨头已加大对3D封装技术的重视力度，并进行早期布局。
美国DARPA的NGMM项目。2022年8月，美国国防部高级研究计划局(DARPA)宣布设立“下一代微电子制造”(NGMM)研究项目。该项目旨在创建一个三维异构集成(3DHI)设计与工艺研究公共平台，其中TSV技术是其重要的研究方向。DARPA表示，微电子制造的下一个主要浪潮将需要不同材料和组件的异构集成，不同来源、不同功能乃至不同材料的器件堆叠封装，将有可能实现功能与性能的革命性改进。
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