3D封装技术发展

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。

1  三维（3D）封装技术的研究

1.1  3D封装技术的种类

目前该技术主要有三种：叠层型3D封装（POP）、硅圆片规模 集成封装（WSI）以及埋置型3D封装。如图1所示。 目前，在所有3D封装技术中发展最为迅速的是叠层型3D封装， 其主要优势如下：
●采用“叠装互连”的封装方法，推动封装的体积向小型化发展；
●相比之下，叠层型3D封装具有更好的兼容性，易于进行规 模化的生产；
●3D封装技术功耗小，可使3D元件以更快的转换速度运转， 提高工作效率。

1.2  叠层型3D封装技术的研究

1.2.1  叠层型3D封装技术的工作机理

在2D平面电子封装的基础上，利用高密度的互连技术，让芯 片在水平和垂直方向上获得延展，在其正方向堆叠2片以上互连的 裸芯片封装，实现高带宽、低功耗，如今3D封装已从芯片堆叠发 展到封装堆叠。

1.2.2  叠层型3D封装技术的类型
叠层型3D封装分为三大类：载体叠层、裸芯片叠层（硅片叠 层）、硅圆片叠层（WIP）。如图2所示。 其中的裸芯片叠层（硅片叠层）安装互连技术分为两种：

（1）引线键合式：是一种使用细金属线，使芯片的I/O端与对应 的封装引脚或基板上布线焊区互连，再此基础上利用加热、加压、 超声波能量等营造塑性变形，使金属引线与基板焊盘紧密焊合。由 此实现芯片与基板间的电气互连和芯片间的信息互通。如图3所示。

（2）硅片穿孔式：在硅片穿孔后形成的通孔中填充金属，在元件具有导电性的基础下即可实 现孔内金属焊点和金属层在垂直 方向的互相连通，由此完成硅片 穿孔过程。

1.2.2  叠层型3D封装技术的应用

一方面，由于该技术具有体 积小、多功能性、集成度高的优 势，因此其在便携式电子产品领 域具有极为广泛的应用，例如： 移动端设备、mp3、数码相机等 小型电子产品。 另一方面，在我国不断推进 芯片技术的过程中，阻碍其发展 的一大因素是芯片的数据传输速度。随着芯片工作时间的增加，组成芯片的各元件寿命降低，会 导致芯片间的数据传输速度变慢。而叠层型3D封装技术具有高效 率、规模化程度高的特点，则可以在降低生产成本的同时，提高 芯片运转过程的工作速度。

2  微电子3D封装的未来发展趋势

目前3D封装技术在芯片中的应用是一大发展趋势，芯片技术 作为衡量国家科技实力的核心技术，要实现质的飞跃必然需要在研 究方法中寻求创新。该技术在芯片中的应用具有以下特点： ●由二维到三维，从平面型封装转为立体型封装； ●单芯片转为多芯片发展； ●独立芯片封装转为系统集成封装。 不仅如此，近年来在移动便携设备的需求量激增和大众对功能 丰富的电子产品的狂热追求下，立体封装和系统集成封装成为主 流封装趋势，致力于将电子设备最小化的同时保留其完整的功能 性。在将设备性能、综合工艺、封装空间、封装性价比等优势资 源整合后，微电子3D封装技术已达到规模化生产的标准，为未来 电子信息市场打下了坚实的基础。

图1   3D封装技术种类及其工作原理

图2    叠层型封装的类型和结构

图3        引线键合工作原理

图4       硅片穿孔式工作简图