什么是3.5D封裝？

最近，在先進(jìn)封裝領(lǐng)域又出現(xiàn)了一個(gè)新的名詞“3.5D封裝”，以前聽?wèi)T了2.5D和3D封裝，3.5D封裝又有什么新的特點(diǎn)呢？還是僅僅是一個(gè)吸引關(guān)注度的噱頭？

今天我們就詳細(xì)解讀一下。

首先，我們要了解以下幾個(gè)名詞的確切含義，2.5D，3D，Hybrid Bonding，HBM。

2.5D??

在先進(jìn)封裝領(lǐng)域，2.5D是特指采用了中介層（interposer）的集成方式，中介層目前多采用硅材料，利用其成熟的工藝和高密度互連的特性。雖然理論上講，中介層中可以有TSV也可以沒有TSV，但在進(jìn)行高密度互聯(lián)時(shí)，TSV幾乎是不可缺少的，中介層中的TSV通常被稱為2.5D TSV。2.5D封裝的整體結(jié)構(gòu)如下圖所示。

3D??

和2.5D是通過中介層進(jìn)行高密度互連不同，3D是指芯片通過TSV直接進(jìn)行高密度互連。

大家知道，芯片面積不大，上面又密布著密度極高的電路，在芯片上進(jìn)行打孔自然不是容易的事情，通常只有Foundry廠可以做得到，這也是為什么到了先進(jìn)封裝時(shí)代，風(fēng)頭最盛的玩家成了TSMC, Intel, Samsung這些工藝領(lǐng)先的芯片廠商。因?yàn)樽钕冗M(jìn)的工藝掌握在他們手里，在這一點(diǎn)上，傳統(tǒng)的OSAT還是望塵莫及的。

在芯片上直接生成的TSV則被稱為3D TSV，3D封裝的整體結(jié)構(gòu)如下圖所示。

Hybrid Bonding

Hybrid Bonding混合鍵合技術(shù)，是一種在相互堆疊的芯片之間獲得更密集互連的方法，并可實(shí)現(xiàn)更小的外形尺寸。下圖是傳統(tǒng)凸點(diǎn)和混合鍵合技術(shù)的結(jié)構(gòu)比較，傳統(tǒng)凸點(diǎn)間距是 50 微米，每平方毫米有大約 400 個(gè)連接?；旌湘I和Hybrid Bonding大約 10 微米的間距，可達(dá)到每平方毫米 10,000 個(gè)連接。

采用Hybrid Bonding?技術(shù)可以在芯片之間實(shí)現(xiàn)更多的互連，并帶來更低的電容，降低每個(gè)通道的功率。下圖是傳統(tǒng)凸點(diǎn)技術(shù)和混合鍵合技術(shù)的加工流程比較，混合鍵合技術(shù)需要新的制造、操作、清潔和測(cè)試方法。

從圖中我們可以看出，傳統(tǒng)凸點(diǎn)焊接技術(shù)兩個(gè)芯片中間是帶焊料的銅柱，將它們附著在一起進(jìn)行回流焊，然后進(jìn)行底部填充膠。混合鍵合技術(shù)與傳統(tǒng)的凸點(diǎn)焊接技術(shù)不同， 混合鍵合技術(shù)沒有突出的凸點(diǎn)，特別制造的電介質(zhì)表面非常光滑，實(shí)際上還會(huì)有一個(gè)略微的凹陷。在室溫將兩個(gè)芯片附著在一起，再升高溫度并對(duì)它們進(jìn)行退火，銅這時(shí)會(huì)膨脹，并牢固地鍵合在一起，從而形成電氣連接?；旌湘I合技術(shù)可以將間距縮小到10 微米以下，可擴(kuò)展的間距小于1微米，可獲得更高的載流能力，更緊密的銅互聯(lián)密度，并獲得比底部填充膠更好的熱性能。

HBM??

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展和需求，HBM現(xiàn)在越來越火熱。HBM（High-Bandwidth Memory ）高帶寬內(nèi)存，主要針對(duì)高端顯卡GPU市場(chǎng)。HBM使用了3D TSV和2.5D TSV技術(shù)，通過3D TSV把多塊內(nèi)存芯片堆疊在一起，并使用2.5D TSV技術(shù)把堆疊內(nèi)存芯片和GPU在Interposer上實(shí)現(xiàn)互連。下圖所示為HBM技術(shù)示意圖。

HBM既使用了3D封裝技術(shù)和2.5D封裝技術(shù)，應(yīng)該歸屬于哪一類呢？有人認(rèn)為HBM屬于3D封裝技術(shù)，也有人認(rèn)為屬于2.5D封裝技術(shù)，其實(shí)都不確切。通過和HMC的比較，就能得出正確的結(jié)論。HMC（Hybrid Memory Cube）混合存儲(chǔ)立方體，和HBM結(jié)構(gòu)非常相似，HMC通過3D TSV集成技術(shù)把內(nèi)存控制器（Memory Controller）集成到DRAM堆疊封裝里。下圖所示為HMC技術(shù)示意圖。

對(duì)比HBM和HMC，我們可以看出，兩者很相似，都是將DRAM芯片堆疊并通過3D TSV互連，并且其下方都有邏輯控制芯片。兩者的不同在于：HBM通過Interposer和GPU互連，而HMC則是直接安裝在Substrate上，中間缺少了Interposer和2.5D TSV。在《基于SiP技術(shù)的微系統(tǒng)》一書中，我總結(jié)了12種當(dāng)今最主流的先進(jìn)封裝技術(shù)。下表是對(duì)這些主流先進(jìn)封裝技術(shù)橫向比較。

可以看出，現(xiàn)有的先進(jìn)封裝技術(shù)中，HBM是唯一一種具備3D+2.5D的先進(jìn)封裝技術(shù)。

如果HMC被稱為3D封裝，那么比其多了Interposer和2.5D TSV的HBM應(yīng)該被稱為什么呢？一種新的封裝命名需要呼之欲出了！按照以往的命名規(guī)則，2D封裝加上Interposer后就變成了2.5D，那么3D封裝加上Interposer自然就變成了3.5D，既合情合理，又符合了通用的命名法則。

3.5D??

什么是3.5D，最簡(jiǎn)單的理解就是3D+2.5D，不過，既然有了全新的名稱，必然要帶有新的技術(shù)加持，這個(gè)新技術(shù)是什么呢？就是我們前文講述的混合鍵和技術(shù)Hybrid Bonding。混合鍵合技術(shù)應(yīng)用于3D TSV的直接互連，省卻了Bump，其界面互連間距可小于10um甚至1um，其互連密度則可達(dá)到每平方毫米10000~1000000個(gè)點(diǎn)。

這是傳統(tǒng)的凸點(diǎn)互連遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到的，因此，在高密度的3D互連中，凸點(diǎn)最終會(huì)消失，如下圖所示，這一點(diǎn)也是我在以前的文章中闡述過的。

目前來說，3.5D就是3D+2.5D，再加上Hybrid Bonding技術(shù)的加持。

封裝技術(shù)分類??

由于3.5D的提法已逐漸被業(yè)界所普遍接受，我因此也更新一下電子集成技術(shù)的分類法，將3.5D放到了列表中。這樣，電子集成技術(shù)就分為：2D，2D+，2.5D，3D，3.5D，4D六種，如下圖所示：

在更新的分類方法中，我并未強(qiáng)調(diào)Hybrid Bonding混合鍵合技術(shù)，因此，3.5D最簡(jiǎn)單的理解就是3D+2.5D。

在高密度先進(jìn)封裝的3D互連中，凸點(diǎn)必將消失，混合鍵合Hybrid Bonding是必然的趨勢(shì)，因此也就無需特意強(qiáng)調(diào)了。

在12種當(dāng)今最主流的先進(jìn)封裝技術(shù)中，只有HBM滿足3D+2.5D結(jié)構(gòu)，因此，HBM可以說是第一種真正的3.5D封裝技術(shù)。

作 者 著 作

《基于SiP技術(shù)的微系統(tǒng)》內(nèi)容涵蓋“概念和技術(shù)”、“設(shè)計(jì)和仿真”、“項(xiàng)目和案例”三大部分，包含30章內(nèi)容，總共約110萬+字，1000+張插圖，約650頁。

關(guān)注SiP、先進(jìn)封裝、微系統(tǒng)，以及產(chǎn)品小型化、低功耗、高性能等技術(shù)的讀者推薦本書。