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引言
. E" |5 X! `& y' q* ^# e3 d随着半导体行业不断追求在更小尺寸中实现更高性能和更多功能，3D集成技术已成为有前途的解决方案。本文概述了关键的3D IC集成和封装技术，包括硅通孔（TSV）、高带宽内存（HBM）以及各种堆叠方法[1]。
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3D IC封装
/ Y+ J/ m9 ]6 E: @2 g, H3D IC封装指的是不使用TSV的芯片垂直堆叠。常见的方法有几种：/ C. [* y# {2 {
1. 键合：多个芯片堆叠并使用周边的键合线连接。这是成熟的低成本方法，广泛用于内存堆叠（图1和2）。
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4 J: |' A* d4 B) ` G" H图1
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图2
3 r* H$ G: U1 o
2 P) v) R. Q' V, Q" m! _6 E2. 面对面键合： 两个芯片通过微凸点面对面键合，其中一个芯片用键合线连接到基板（图3）。1 u* A0 k5 k$ V* k4 l
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" z1 C, h8 W. ?; `图33 d$ c. k: b4 \, u
9 W7 J3 E6 Z. n' n5 A0 P3. 背对背键合：两个芯片背对背键合，一个芯片倒装到基板上，另一个用键合线连接（图4）。% @$ z5 T- o. e) l
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) K5 ~9 y) l- m- o图44 u- f, B& L5 M* T3 S& c, p
5 j8 L. u& o, _$ W4. 面对面键合加焊球： 与方法2类似，但使用焊球而不是键合线连接到基板（图5）。
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图5& w# C# Y8 P/ {
4 V' v% b/ w9 G; {1 O1 a1 H) S5. 封装叠加封装（PoP）： 单独的封装垂直堆叠，通常底部是应用处理器，顶部是内存（图6）。
4 u# e5 ~ {( n C8 L
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7 u: Y( {9 y" k! K7 P- U图6
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9 U8 ^, \% X S0 F6 ?6. 嵌入式芯片： 芯片嵌入到封装基板中（图7） 。
4 S1 W2 k9 b% Q( {
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, j, U) g& ^3 T ]2 n( e1 Y图7* m4 W9 `$ R& S) A H" X3 q2 @
4 m5 |( q; K/ s; i& r7. 扇出晶圆级封装： 芯片嵌入到模塑化合物中并重新分布，以实现更高的I/O密度（图8）。
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1 U! w0 t" z- C Z. m0 N1 F图8+ M# n& d! k" K
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每种方法在电气性能、热管理、尺寸和成本方面都有权衡。选择取决于具体的应用需求。$ k4 c5 \6 B" z5 r+ m+ x
$ A9 P- g* v* t6 @5 M使用TSV的3D IC集成
+ t; e0 H, ~) T6 P5 H& t U* l3D IC集成使用TSV在硅芯片中创建垂直电连接。与传统封装方法相比，可实现更高的互连密度和带宽。关键的3D IC集成技术包括：
+ N) U% K( r7 R5 R: J$ x, s9 u5 U8 x: h
1. 高带宽内存（HBM）：HBM使用TSV和微凸点将多个DRAM芯片堆叠在逻辑基础芯片上（图9）。与传统DRAM封装相比，可提供显著更高的内存带宽。HBM对高性能计算、AI和图形应用非常重要。. |# D* L, v/ @3 `0 S% N5 ^! ?
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图9
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2. 芯片叠加晶圆（CoW）堆叠： 单个芯片键合到包含TSV的晶圆上的芯片。用于不同类型芯片的异构集成。$ u+ e6 ?1 t6 C) c
) w' R- }8 ~7 n* \3 f' g
3. 晶圆叠加晶圆（WoW）堆叠： 整个晶圆键合在一起，TSV提供垂直连接。可实现很高的互连密度，但需要良好的芯片对芯片对准。
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$ u3 p6 d: I, s4. 基于中间层的集成： 带有TSV的中间层充当中间基板，连接多个芯片。允许混合不同工艺节点和芯片类型（图10）。0 `3 S. I! k( i6 e$ y- g- @
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图106 L3 b( O. r' y/ Q4 n1 v/ c
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TSV制造和组装+ W4 E' f' h- O" G n. }
TSV通常使用"中段硅通孔"或"后段硅通孔"工艺制造：4 j7 Q& f6 Z* m
中段硅通孔：TSV在前端工艺（FEOL）之后但在后端金属化（BEOL）之前形成。后段硅通孔： TSV在BEOL之后创建，可以从晶圆正面或背面进行。1 M) G$ { A3 D) A" T: @
$ ^, _. i& R: x! G1 H6 j" V9 c) b7 Q选择会影响TSV尺寸和制造工艺流程。中段硅通孔更常用于大批量生产。
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带TSV的3D堆叠组装通常使用热压键合（TCB）和铜柱微凸点。通常使用非导电薄膜（NCF）或浆料（NCP）作为底填以提高可靠性。对于HBM堆叠，芯片逐个键合，可能限制产量。为解决这个问题，已开发出同时键合多个芯片的集体键合方法（图11）。; E4 X. r( m& s5 B9 l7 ^3 C
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W2 f. h4 L7 e0 `图110 i$ I( j- f a
* R% u# F) F7 D/ q( P先进的3D集成：混合键合% }4 U# d! T5 O8 m( t& Y
混合键合是一种先进的互连技术，可以直接键合铜垫而无需焊料凸点。与微凸点方法相比，可实现更细间距的互连。主要优势包括：- ~/ l6 u4 L* b- P+ {+ q$ n
更高的互连密度改善的电气和热性能减小封装高度
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$ o- b6 D5 G# \& l j$ |混合键合可用于各种3D集成场景：
4 y, a9 G7 K: y$ k8 ^" B; K1. 带TSV的芯片对芯片： 一个芯片混合键合到另一个含TSV的芯片上（图12和13） 。
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图12
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! l1 }1 ]1 F( e. m图13
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2. 不带TSV的芯片对芯片： 用于不需要TSV的应用， 如堆叠图像传感器（图14）。6 K( ?+ n3 F# A( k2 o
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图14
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7 r+ H8 A" ^0 s* D D3. 芯片对晶圆：单个芯片混合键合到晶圆上的芯片。
! t, D7 d0 H8 M. e& H% }9 I
( Y3 D% a# N4 ^$ B# Q( |5 z4. 晶圆对晶圆： 整个晶圆混合键合在一起。
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英特尔、台积电和三星等主要半导体公司正在积极开发用于大批量生产的混合键合能力。# _* S# a$ |9 F2 E; Z/ W+ V
* h1 E' E. c9 U. f9 c K0 D! F/ K V2 a3D IC的设计考虑- O7 v) Z* q$ o+ @
3D集成带来了几个独特的设计挑战：热管理： 堆叠多个有源芯片会增加功率密度并可能导致热点。需要仔细进行热分析并可能使用热TSV。供电： 为堆叠中的所有芯片提供稳定电源需要考虑TSV的电阻和电感。测试： 需要新的测试策略来有效测试部分组装的3D堆叠并隔离缺陷。信号完整性： TSV和微凸点引入了新的寄生效应，必须建模和管理。机械应力： 材料之间热膨胀系数（CTE）的差异可能导致翘曲和可靠性问题。成本： 3D集成工艺增加了成本，必须权衡性能和尺寸优势。2 e7 I% f5 i" K1 E: f$ V! q) U; O
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能够处理多芯片场景和TSV/微凸点模型的先进封装设计工具对成功开发3D IC非常必要。. [5 F+ p7 {1 O- Y$ I1 d
" z% s' M" H7 h9 t+ c应用和未来展望
; b* l6 u) h/ G3D集成技术在几个关键应用领域得到越来越多的采用：5 X9 I4 u4 Q2 V' N+ v2 P
1. 高性能计算： HBM和先进的逻辑叠加逻辑堆叠，用于提高内存带宽和降低延迟。
+ @9 T1 L* ?' l) m. S" |3 X2. 移动设备： PoP和内存叠加逻辑堆叠，用于减小尺寸和提高性能。
( r4 m6 J3 I! A( y6 d2 q8 y5 z; f3. 成像： 具有单独感应和处理层的堆叠图像传感器。" ?6 o& f% g8 d( G7 c2 w. y9 I( ?9 Z
4. 异构集成： 结合不同工艺节点甚至不同半导体材料（如硅和III-V化合物）的芯片。 m% o- Y9 X f% o3 s: y1 {
' D" Z+ U v9 ?- s2 d0 l `6 p随着传统硅缩放变得更具挑战性和昂贵，3D集成预计将在继续实现类似摩尔定律的整体系统性能和功能缩放方面发挥越来越重要的作用。7 B% ^; ~+ A! E* f
正在进行的研究和开发的关键领域包括：
4 |) P" F* @& v+ ]* `$ I( u* Y: L更细间距的TSV和微凸点改进的热管理技术增强的设计工具和方法用于提高可靠性和性能的新材料通过改进制造工艺降低成本- M$ R) P9 q0 l! g9 I, P
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结论( ~ t3 Y2 d5 h3 P! p( Q
3D IC集成和先进封装技术为在传统2D缩放之外继续提高电子系统性能、功能和尺寸提供了很有前途的途径。尽管仍然存在挑战，特别是在热管理和成本方面，但潜在的好处正在推动这些技术的快速发展。随着生态系统的成熟，可以期待看到3D集成在广泛应用领域的领先半导体产品中变得越来越普遍。6 `! K' C- l* {0 j: O$ P
' o6 ^0 M5 i1 T
参考文献
4 `: F' F8 `1 m) B/ g! T9 }2 E$ W9 P[1] J. H. Lau, "Semiconductor Advanced Packaging," Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021.
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关于我们：
1 f& O9 f$ ]4 z/ w+ i4 `深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。& M f- H* b: [ Y- A; \" u
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