【了不起的芯片】3D封装：我很能装，只是有点难装

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这一期，我们聊一聊芯片封装的那些事儿。

芯片需要封装，就像行李需要打包一样。因为我们都知道，集成电路是把各种电子元件集成在了一个小小的裸片上，如果不经过封装，别说焊接使用了，就是空气中的灰尘、水分以及射线，就足以对芯片电路造成损伤。

为了保护芯片，我们就得把芯片裹得严严实实的，光是裹上并不难，裹上之后还得能用，那就需要把金属引脚(Lead)拉出来。但这引脚也不能随便拉。本来芯片就不大，引脚间隔过近，难免互相影响。引脚如果太长，又容易导致延迟变高。另外芯片在使用过程中会发热，如果这些热量来不及散发，还可能影响到芯片的使用寿命。所以封装很基本，但是不简单。

因此，我们对封装提出了几个要求：

第一，体积要小；第二，引脚要短，而且不能打架；第三，散热性要好！

本着对这三点的不懈追求，越来越多的封装威廉希尔官方网站 被开发了出来。

传统芯片封装

传统封装通常是指先将圆片切割成单个芯片，再进行封装的工艺形式。主要包含SIP、DIP、SOP、SOT、TO、QFP、QFN、DFN、BGA等等不同形式。就像打包行李可以用双肩包、编织袋、行李箱、纸箱子等等，光是传统的具体封装形式就多达几十种。

但传统封装太过于“传统”，它没办法允许多个芯片封装在一起。这就决定了行李不能被打包成一个大件，只能被装成多个小件。这本来不是什么大问题，而且传统封装也在不断创新，出现了各种新型的封装结构。但随着电子产品及设备的高速化、小型化、系统化、低成本化要求的不断提高，传统封装的局限性就显露出来了。

我们知道著名的摩尔定律：集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月便会增加一倍。但随着芯片工艺的不断演进，半导体先进制程不断向更小的纳米级别迈进。事情开始变得没那么简单了。受制于其物理瓶颈，多次革新的威廉希尔官方网站 也终于难以维持摩尔定律了。好在异构整合这一概念出现了！异构整合说白了，就是把不同的小芯片统统放进一个大封装里。比如将处理器、存储器等多种功能芯片集成在一个封装内的系统级封装（SiP, System in Package）。

系统级封装

我们之所以能够把不同行李都装进同一个箱子，简单来讲，就是靠的三个字：叠！高！高！

那芯片到底能叠多“高”呢？这么说吧，在不到芝麻粒大小的1平方毫米内可以集成1亿只以上的晶体管！而指甲盖大小的芯片上能够集成超过500亿个晶体管，这可是目前地球上人类数量的6倍左右多！

（顺带一提，先进封装这一概念是指处于当前最前沿的封装形式和威廉希尔官方网站 ，也许等几十年后，现在的先进封装就会变成传统封装了。）

3D封装和2.5D封装就是特别能装的两种：如果比喻成盖房子，3D封装是直接一层一层往上盖，盖成高楼。2.5D封装则是在同一个地基上盖几排房屋。

3D封装在原理上相当简单粗暴：盖楼不就是管它是logic还是memory，往上叠就完事儿了！但在实际威廉希尔官方网站 中的难度却相当高。

“盖高楼”并不简单，实现3D封装的一个关键威廉希尔官方网站 叫做通孔工艺中的TSV威廉希尔官方网站 。借助TSV威廉希尔官方网站 ，通过铜、钨、多晶硅等“导线”的填充，可以穿过硅基板实现硅片内部垂直电互联。硅基板就像是钢筋搭出来的一层层楼面；前面这些“导线”就像是贯通整栋楼的水管、燃气管、电路等等系统。将每层楼的供能系统串在一起，同时保障家家户户的用电用水等都随时供给。

因此，这种威廉希尔官方网站 能够有效减小芯片间的互联长度和信号延迟，实现芯片间的低损耗和高速通讯，从而大幅保证芯片性能。随着高效能运算、人工智能等应用的兴起以及TSV威廉希尔官方网站 的逐渐成熟，越来越多的CPU、GPU和记忆体都开始采用3D封装。

那2.5D封装，是不是就是简化版的3D封装呢？还真可以这么讲！

为了解决3D封装中的散热和成本问题，基于硅中介层的2.5D封装设计出现了。2.5D封装最大的区别是在同一基板上安装所有芯片和无源器件，再通过基板进行电气连接。

在2.5D封装中，裸片或堆叠或并排放置在硅中介层(Interposer)的顶部，通过在同一硅中介层上布线和打孔，实现芯片之间的互联。硅中介层是一种由硅和有机材料制成的硅基板，是多芯片模块传递电信号的管道。借助其四通八达的通道，可以让多个芯片自由组合在一起，就像是一个巨型地下交通网络。在TSV威廉希尔官方网站 的加持下，2.5D封装也得以像3D封装那样实现高密度互联。当然对2.5D封装来说，省钱是关键。成本高、难度高的TSV威廉希尔官方网站 并不是必须的。

2.5D封装和3D封装图示

芯片封装威廉希尔官方网站 发展到现在，根据威廉希尔官方网站 细节的差别，各大厂商都有自己的不同命名的封装威廉希尔官方网站 ，而业界对于封装的具体分类也并没有一个统一的共识。3D封装的TSV威廉希尔官方网站 和2.5D封装的硅中介层也只是这些封装最显著的特征而已。

出于成本和设计难度的考虑，2.5D集成更适合用于移动设备、笔记本电脑、可穿戴电子设备等应用。3D集成(3DIC)往往更适合用于高性能计算，如数据中心、网络、服务器等。

3DIC这种多层堆叠，就像搭积木，任意一层出现松动都可能导致塌房；互连导通只要出现一环异常，电路即会表现失效。器件密度大大增加，功能复杂性增强；纳米级半导体器件对热量指数性敏感，发热问题一定不可避免。这些都增加了3DIC设计里可靠性设计的挑战难度。

然而各个单一的工具只能解决设计3DIC的部分复杂挑战，这就形成了巨大的设计反馈回路。无法及时将这些反馈整合在一起，就难以得到每立方毫米PPA的最佳解决方案。所以说，3D封装也不是光“封装”就可以的！

在多裸晶(multi-die)环境中，设计工程师需要对完整系统进行分析和优化，孤立地对单个裸晶进行功耗和热量分析是不全面的。更有效的解决方案是采用统一的平台，将整个系统的信号、功耗和热量分析有机整合到单个紧密耦合的解决方案中。这正是新思科技3DIC Compiler的用武之地——通过一套完整的功耗和热量分析能力实现早期分析。该解决方案可通过全面的自动化功能减少了迭代次数，同时提供功耗完整性、热量和噪声感知优化。这有助于开发者更好地了解系统性能，并围绕系统架构、在何处插入TSV以及最高效的裸晶堆叠方法进行探索。另外，它还有助于更有效地了解如何将各种设计要素组合在一起，甚至以某些方式将开发者与传统的2D英国威廉希尔公司网站 联系起来。

尽管使用集成设计平台设计3D架构时会出现新的细微差异，但以最低功耗实现最高性能的可能性（没想到吧，还有这种好事！）使3D架构成为极具吸引力的选择。3DIC也势必将在芯片行业得到更广泛的应用。