3D封裝技術(shù)：結(jié)構(gòu)類型、特點與應(yīng)用場景分析

3D封裝（3D Packaging）是先進(jìn)封裝技術(shù)的核心代表，它通過在垂直方向上堆疊多個芯片或晶圓，并通過硅通孔（TSV）等技術(shù)進(jìn)行互連，實現(xiàn)了系統(tǒng)性能的巨大飛躍。它被視為延續(xù)“摩爾定律”生命力的關(guān)鍵技術(shù)之一。

一、 3D封裝的主要結(jié)構(gòu)類型

3D封裝不是一個單一的技術(shù)，而是一個技術(shù)家族。主要可以分為以下幾類：

1. 2.5D 封裝（2.5D Integration）

• 結(jié)構(gòu)： 這是一種過渡到真正3D封裝的技術(shù)。多個芯片并排排列在一個中介層（Interposer） 上。這個中介層通常由硅制成（也可用玻璃或有機材料），內(nèi)部有高密度的互連線（如微凸塊和再分布層RDL），并通過硅通孔（TSV） 與下方的封裝基板（如PCB）連接。

• 特點：

• 核心是中介層：它提供了遠(yuǎn)超傳統(tǒng)PCB的互連密度和帶寬。

• 芯片異構(gòu)集成：可以將不同工藝節(jié)點、不同功能的芯片（如CPU、GPU、HBM內(nèi)存）集成在一起。

• 熱管理相對容易：芯片是平鋪的，散熱路徑比3D堆疊更直接。

• 代表性技術(shù)： CoWoS（臺積電）、HBI（英特爾）、SLIM（三星）。

2. 3D 堆疊封裝（3D Stacking / 3D IC）

• 結(jié)構(gòu)： 這才是真正的3D封裝。芯片直接在垂直方向上進(jìn)行堆疊。芯片之間通過微凸塊（Micro-bumps） 和硅通孔（TSV） 進(jìn)行直接、最短路徑的互連。

• 特點：

• 極致的互連密度和帶寬：TSV提供了芯片間最短的垂直互連，延遲極低，帶寬極高。

• 外形尺寸最小化：極大地節(jié)省了空間。

• 熱挑戰(zhàn)巨大：堆疊的芯片會產(chǎn)生“熱點”，散熱是最大難題。

• 設(shè)計復(fù)雜：需要考慮應(yīng)力、熱膨脹系數(shù)匹配、信號完整性等諸多問題。

• 子分類：

• 同質(zhì)堆疊：堆疊相同類型的芯片，如HBM內(nèi)存（多個DRAM die堆疊）。

• 異質(zhì)堆疊：堆疊不同功能的芯片，如邏輯芯片堆疊在存儲芯片之上。

• 代表性技術(shù)： SoIC（臺積電）、Foveros（英特爾）、X-Cube（三星）。

3. 芯片堆疊封裝（Chip-on-Wafer / Wafer-on-Wafer）

• 結(jié)構(gòu)： 這是3D堆疊的兩種制造方式。

• CoW（Chip-on-Wafer）： 將已知良好的芯片（KGD）堆疊到晶圓上。

• WoW（Wafer-on-Wafer）： 將整個晶圓直接鍵合到另一片晶圓上，然后進(jìn)行切割。

• 特點：

• CoW： 良率高，但工藝更復(fù)雜。

• WoW： 工藝簡單，但如果底層晶圓有一個壞點，整個堆疊芯片都會報廢，良率挑戰(zhàn)大。

4. 扇出型封裝（Fan-Out Packaging）與3D結(jié)合

• 結(jié)構(gòu)： 先將芯片嵌入到環(huán)氧樹脂模塑料中，然后在模具上制作高密度的再分布層（RDL）來實現(xiàn)互連和I/O扇出。它可以作為基礎(chǔ)，在其上再進(jìn)行2.5D或3D堆疊。

• 特點：

• 無需中介層和TSV，成本較低。

• 可以實現(xiàn)更大的封裝尺寸和更多的I/O數(shù)量。

• 是集成無源器件和異質(zhì)芯片的良好平臺。

• 代表性技術(shù)： InFO（臺積電）。

二、 3D封裝的核心特點

優(yōu)點：

1. 性能提升：

• 高帶寬： TSV和微凸塊提供了遠(yuǎn)超傳統(tǒng)線鍵合的互連密度，實現(xiàn)了TB/s級別的帶寬（如HBM）。

• 低延遲： 垂直互連將互連長度從厘米級縮短到微米級，顯著降低了信號傳輸延遲和功耗。

• 低功耗： 更短的互連意味著更小的寄生電容和電阻，從而降低驅(qū)動信號所需的功耗。

2. 異構(gòu)集成： 允許將采用不同工藝技術(shù)優(yōu)化過的芯片（如數(shù)字、模擬、RF、MEMS、光電子）集成到一個封裝中，實現(xiàn)“最佳工藝干最佳的事”。

3. 小型化與輕量化： 顯著減小了封裝尺寸和重量，迎合了移動設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對極致體積的需求。

4. 功能多樣化： 在一個封裝內(nèi)實現(xiàn)完整的系統(tǒng)功能，邁向“系統(tǒng)級封裝”（SiP）和“芯片級系統(tǒng)”（SoC）。

挑戰(zhàn)：

1. 熱管理： 堆疊芯片導(dǎo)致功率密度急劇上升，熱量難以從中間層散出，過熱會嚴(yán)重影響性能和可靠性。需要創(chuàng)新的散熱材料（如導(dǎo)熱硅脂、釬焊）、微流體冷卻等技術(shù)。

2. 制造成本高： TSV刻蝕、薄膜沉積、晶圓鍵合等工藝復(fù)雜，良率管理困難，導(dǎo)致成本高昂。

3. 設(shè)計與測試復(fù)雜： 需要全新的3D EDA設(shè)計工具，進(jìn)行熱、應(yīng)力、電氣的協(xié)同仿真。測試需要在堆疊前（Known Good Die）和堆疊后進(jìn)行，策略復(fù)雜。

4. 可靠性問題： 不同材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配會導(dǎo)致熱應(yīng)力，可能引起界面分層、TSV開裂、凸點疲勞等問題。

三、 核心應(yīng)用場景分析

1. 高性能計算（HPC）與人工智能（AI）

• 場景： AI訓(xùn)練芯片、GPU、數(shù)據(jù)中心CPU、FPGA等。這些芯片需要處理海量數(shù)據(jù)，對內(nèi)存帶寬和計算單元之間的通信效率要求極高。

• 應(yīng)用： 普遍采用 2.5D封裝 + HBM 的模式。例如，NVIDIA的GPU（A100, H100）、AMD的EPYC CPU和Instinct GPU、以及各種AI加速卡，都采用臺積電的CoWoS技術(shù)將邏輯芯片和多個HBM堆疊內(nèi)存集成在一起，以提供前所未有的內(nèi)存帶寬。

2. 大容量存儲器

• HBM（高帶寬內(nèi)存）： 是3D堆疊最成功的應(yīng)用典范。將多個DRAM芯片通過TSV垂直堆疊，與GPU/CPU通過2.5D中介層互聯(lián)，廣泛用于HPC和AI領(lǐng)域。

• 3D NAND Flash： 通過3D堆疊技術(shù)將存儲單元層數(shù)堆疊到數(shù)百層，在不增大芯片面積的情況下指數(shù)級提升存儲容量，是現(xiàn)代SSD的核心技術(shù)。

• 場景： 需要大容量且高速的存儲解決方案。

• 應(yīng)用：

3. 移動與消費電子

• PoP（Package-on-Package）： 一種早期的3D封裝形式，將移動處理器（SoC）和內(nèi)存（LPDDR）上下堆疊，節(jié)省了主板空間。

• 扇出型封裝（InFO）： 如蘋果的A系列/A仿生芯片，采用臺積電InFO技術(shù)，實現(xiàn)了更小尺寸、更佳散熱和性能。

• 異質(zhì)集成： 將處理器、電源管理芯片、射頻模塊等集成于一個封裝內(nèi)。

• 場景： 智能手機、平板電腦、可穿戴設(shè)備等，對尺寸、功耗和性能有極致要求。

• 應(yīng)用：

4. 物聯(lián)網(wǎng)（IoT）與邊緣計算

• 場景： 傳感器節(jié)點、智能設(shè)備等，要求小體積、低功耗、多功能集成。

• 應(yīng)用： 3D封裝可以將傳感器、微處理器、存儲器、無線通信模塊（如NB-IoT、LoRa）和電源管理單元（PMIC）高效地集成在一個微小封裝內(nèi)，形成完整的片上系統(tǒng)（SoS）。

5. 汽車電子

• 場景： 自動駕駛（ADAS）、智能座艙、車載信息系統(tǒng)。

• 應(yīng)用： 需要處理大量傳感器（攝像頭、雷達(dá)、激光雷達(dá)）數(shù)據(jù)，對計算能力和可靠性要求極高。3D封裝可以提供高性能、小型化且符合車規(guī)級可靠性的解決方案，例如將多個處理器芯片與存儲器集成。

總結(jié)與展望

未來趨勢：

• 混合鍵合（Hybrid Bonding）： 用銅-銅直接鍵合取代微凸塊，實現(xiàn)更小的間距、更高的密度和更佳的能效，如臺積電的SoIC技術(shù)。

• 光互連： 在封裝內(nèi)引入硅光技術(shù)，用光代替電進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以突破“功耗墻”和“帶寬墻”。

• 芯粒（Chiplet）： 3D封裝是芯粒模式得以實現(xiàn)的物理基礎(chǔ)。通過將大SoC拆分成多個小芯片（Chiplet），再用2.5D/3D技術(shù)集成，可以大幅提升良率、降低開發(fā)成本并加快上市時間。

3D封裝已經(jīng)從一項前沿技術(shù)發(fā)展成為推動整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)繼續(xù)向前發(fā)展的關(guān)鍵引擎，其應(yīng)用范圍必將從高端領(lǐng)域逐步擴(kuò)展到更廣泛的市場。

3D封裝清洗劑-合明科技芯片封裝前錫膏助焊劑清洗劑介紹：

水基清洗的工藝和設(shè)備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環(huán)境中的濕氣，通電后發(fā)生電化學(xué)遷移，形成樹枝狀結(jié)構(gòu)體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內(nèi)的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導(dǎo)致焊點質(zhì)量降低、焊接時焊點拉尖、產(chǎn)生氣孔、短路等等多種不良現(xiàn)象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關(guān)注的呢？助焊劑或錫膏普遍應(yīng)用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質(zhì)在所有污染物中的占據(jù)主導(dǎo)，從產(chǎn)品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產(chǎn)品質(zhì)量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質(zhì)引發(fā)接觸電阻增大，嚴(yán)重者導(dǎo)致開路失效，因此焊后必須進(jìn)行嚴(yán)格的清洗，才能保障電路板的質(zhì)量。

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