多芯片封装的基本概念和关键技术

文章来源：老虎说芯

原文作者：老虎说芯

本文简单介绍了多芯片封装的概念、技术、工艺以及未来发展趋势。

多芯片封装技术（Multi-Chip Packaging, MCP）是现代集成电路（IC）领域的一项关键技术，用于在一个封装中集成多个芯片或功能单元。这项技术通过空间的优化和功能的协同，大幅提升了器件的性能、带宽及能源效率，是未来高性能计算、人工智能、通信等领域的核心基础。

1. 多芯片封装的基本概念

1.1 定义与核心思想

多芯片封装是一种将多个芯片（逻辑芯片、存储芯片、射频芯片等）集成到一个封装体中的技术。它包括2.5D封装（通过硅中介层连接）和3D封装（垂直堆叠芯片），实现更高的集成度和性能。

比喻：可以将多芯片封装理解为搭建“微型城市”：每个芯片是一个功能区域，通过“道路”（互连结构）连接，实现高效协作。

1.2 优势

提升性能：缩短芯片间信号传输路径，降低延迟和功耗。

节省空间：更小的封装体积适用于移动设备和高密度服务器。

模块化设计：便于不同功能芯片的灵活组合，降低设计复杂性。

2. 关键技术要点

2.1 先进基板

先进基板是多芯片封装的物理载体，其性能直接决定信号传输的速度和功耗。当前技术要求先进基板的线宽/线距在1/1μm甚至更小，以满足高带宽和低功耗的需求。

当前缺口：美国产业链在先进基板制造方面落后于亚洲，特别是在精细间距重新布线层（RDL）技术上。

未来目标：HIR计划到2030年实现0.5/0.5μm线宽/线距。

2.2 互连技术

芯片间互连是多芯片封装的核心挑战。包括以下两种主流技术：

硅中介层（Interposer）：提供高密度互连，支持更大的带宽，但制造成本高。

有机基板：成本较低，但信号完整性和散热性能略差。

2.3 热管理

封装功率密度的增加对热管理提出了更高要求。

挑战：200-400W的热设计功耗（TDP）需要有效散热方案。

解决方案：引入先进的封装内热导材料、集成热界面材料（TIM）和液冷等技术。

2.4 电源传输

高带宽需求使电源传输成为一大瓶颈。

问题：传统分立电源组件已无法满足封装内高功率密度要求。

解决方法：基于封装内电压调节器（IVR）的技术，利用电感和开关电容实现高效电源传输。

3. 工艺挑战

3.1 制造工艺

多芯片封装的实现依赖高精度制造工艺，主要包括：

精细间距RDL制造：当前投资主要集中在亚洲，需要突破以实现更高的线宽/线距。

面板级封装（PLP）：针对大尺寸封装提供更高性价比的解决方案。

3.2 材料升级

多芯片封装需要新型材料的支持：

中介层替代材料：如高密度陶瓷基板，具备更高热导率和机械强度。

封装材料：需要支持更高的热导率和更低的电阻。

3.3 可靠性

堆叠芯片和细间距互连带来的机械应力、热膨胀失配需要解决封装长期可靠性问题。

4. 未来发展趋势

4.1 小芯片（Chiplet）和异构集成

小芯片技术将不同工艺节点、功能模块芯片进行集成。相比传统的单片设计，小芯片提供了更高的灵活性和性能。

HBM3应用：如高带宽存储（HBM3）需要每通道4-6Gbps的数据速率，封装中的I/O数量快速增长，每个硅节点的HBM数量将增加1.4倍。

4.2 2.5D与3D封装的扩展

2.5D封装：扩展EMIB技术，提高带宽密度并降低成本。

3D封装：通过垂直堆叠实现更高的性能密度，但对热管理和制造精度提出更高要求。

4.3 高密度基板技术

未来目标是将有机基板和面板级基板的性能提高到1/1μm以下，从而实现更低的电阻和更高的传输速度。

4.4 电源集成

封装内电源集成技术将进一步优化，通过局部电压调节器和高效电源传输组件，支持高功率应用。

5. 总结与展望

多芯片封装技术已经成为集成电路产业的关键方向，其优势在于提升性能、节省空间和支持多样化应用。然而，该技术仍面临基板制造、热管理、电源传输等多方面的挑战，需要从材料、工艺、设计等多个维度进行持续创新。