先进半导体封装 2025-2035：预测、技术、应用

半导体封装技术的演变

半导体封装已经从1D PCB发展到晶圆级先进3D混合键合，实现了个位数微米互连间距和高能效1000 GB/s带宽。先进半导体封装技术的核心是 2.5D 封装（其中组件并排放置在转接板上）和 3D 封装（涉及垂直堆叠有源晶片）。这些技术对于 HPC 系统的未来至关重要。

2.5D 封装技术涉及各种中介层材料，每种材料都有明显的优点和缺点。硅（Si）中介层，包括全无源硅晶片和局部硅桥，以促进最精细的布线功能而闻名，使其成为高性能计算的理想选择。然而，它们在材料和制造方面都具有很高的成本，并且在包装领域面临限制。为了缓解这些问题，越来越多地使用局部硅桥，战略性地利用需要精细特性的硅，并解决面积限制问题。

使用扇出模塑料的有机中介层是比硅更具成本效益的替代品。它们具有较低的介电常数，从而减少了封装中的RC延迟。尽管有这些优势，但有机中介层难以实现与硅基封装相同水平的互连功能减少，从而限制了它们在高性能计算应用中的采用。

玻璃中介层引起了人们的极大兴趣，尤其是在英特尔最近推出了基于玻璃的测试车辆封装之后。玻璃具有可调的热膨胀系数（CTE）、高尺寸稳定性、光滑平坦的表面以及支持面板制造的能力等优点，使其成为具有可与硅相媲美的布线功能的中介层的有前途的候选者。然而，玻璃中介层的主要缺点是生态系统不成熟，目前缺乏大规模生产能力，此外还存在技术挑战。随着生态系统的成熟和生产能力的提高，半导体封装中的玻璃基技术可能会进一步增长和采用。

在3D封装技术方面，Cu-Cu无凸块混合键合正在成为一项领先的创新。这种先进的技术通过将介电材料（如SiO2）与嵌入式金属（Cu）相结合，实现了永久互连。Cu-Cu混合键合可以实现低于10微米的间距，通常在个位数微米范围内，这比传统的微凸块技术有了显着改进，传统的微凸块技术具有大约40-50微米的凸块间距。混合键合的好处包括增加I/O、提高带宽、改进3D垂直堆叠、提高能效，以及由于没有底部填充而减少寄生效应和热阻。然而，这种技术的制造很复杂，成本更高。

半导体封装互连技术概述。来源：Advanced Semiconductor Packaging 2025-2035

2.5D和3D封装技术包括各种封装技术。在2.5D封装中，中介层材料的选择将其分为硅基、有机基和玻璃基中介层，如上图所示。同时，在3D封装中，微凸块技术的发展旨在实现更小的间距尺寸。然而，今天通过采用混合键合技术（一种直接连接Cu-Cu的方法）实现了个位数的间距尺寸，这表明该领域的重大进步。

值得关注的2.5D和3D包装发展的主要趋势：

更大的中介层区域

IDTechEx此前曾预测，由于硅中介层的局限性，2.5D硅桥解决方案将很快取代硅中介层成为封装HPC芯片的主要选择，它难以超过3倍的掩模层尺寸。TSMC是NVIDIA和其他主要HPC开发商（如Google和Amazon）的2.5D硅中介层的主要供应商，最近宣布以3.5倍标线尺寸大批量生产其第一代CoWoS_L。IDTechEx预计这一趋势将继续下去，他们的报告中涵盖了主要参与者，探讨了进一步的进展。

面板级封装

正如Semicon Taiwan 2024所强调的那样，面板级封装已成为一个重要的焦点。这种封装方法允许使用更大的中介层，并通过同时生产更多封装来帮助降低成本。尽管具有潜力，但仍需要解决翘曲管理等挑战。它的日益突出反映了对更大、更具成本效益的中介层的需求不断增长。

玻璃中介层

玻璃正在成为实现精细布线的有力候选者，可与硅相媲美，并具有可调热膨胀系数（CTE）和更高的可靠性等额外优势。玻璃中介层还与面板级封装兼容，以更可控的成本提供高密度布线的潜力，使其成为未来封装技术有前途的解决方案。

HBM的混合键合

3D铜-铜（Cu-Cu）混合键合是在芯片之间实现超细间距垂直互连的关键技术。该技术已应用于多种高端服务器产品中，包括用于堆叠SRAM和CPU的AMD EPYC，以及用于在I/Otile上堆叠CPU/GPU tile的MI300系列。预计混合键合将在未来的HBM发展中发挥关键作用，特别是对于超过16-Hi或20-Hi层的DRAM堆栈。

共封装光学器件（CPO)

在对更高数据吞吐量和更高能效的需求不断增长的推动下，光互连技术获得了相当大的牵引力。共封装光学器件（CPO）正在成为提高I/O带宽和降低能耗的关键解决方案。与传统的电传输相比，光通信具有多种优势，包括信号随距离的衰减更低、对串扰的敏感性更低以及带宽显著提高。这些优势使CPO成为数据密集型、高能效HPC系统的理想选择。

值得关注的主要市场

推动2.5D和3D封装技术发展的主要市场无疑是高性能计算（HPC）领域。这些先进的封装方法对于克服摩尔定律的局限性至关重要，可以在单个封装中实现更多的晶体管、存储器和互连。芯片的分解还允许在不同的功能块之间实现最佳工艺节点利用率，例如将I/O tiles 与处理 tile 分离，从而进一步提高效率。

除了 HPC，其他市场也有望通过采用先进的封装技术实现增长。在 5G 和 6G 领域，天线级封装和尖端芯片解决方案等创新将塑造无线接入网络 （RAN） 架构的未来。自动驾驶汽车也将受益，因为这些技术支持传感器套件和计算单元的集成，以处理大量数据，同时确保安全性、可靠性、紧凑性、功率和热管理以及成本效益。

消费电子产品（包括智能手机、智能手表、AR/VR 设备、PC 和工作站）虽然更注重成本，但越来越注重在更小的空间内处理更多数据。先进半导体封装将在这一趋势中发挥关键作用，尽管封装方法将与 HPC 中使用的封装方法不同。IDTechEx 对这些行业进行深入分析，研究先进封装技术将如何影响它们并提供市场预测。