文章來源：學習那些事

原文作者：小陳婆婆

本文介紹了不同2.5D和3D集成技術中的熱評估。

在多芯片封裝趨勢下，一個封裝內集成的高性能芯片日益增多，熱管理難題愈發凸顯。空氣冷卻應對此類系統力不從心，致使眾多硅芯片閑置(停運或降頻)，而且高、低功率芯片間的熱耦合還會拉低系統整體性能。可見，新集成架構雖具電氣優勢，但散熱問題亟待解決。

目前，已有諸多文章針對不同集成技術開展熱分析與優化研究，如基于硅轉接板的2.5D集成、基于TSV的集成以及單片3D IC集成，但針對基于橋接芯片的2.5D集成平臺的熱學建模研究不多。

本文重點介紹兩方面的內容：一是剖析基于硅橋芯片2.5D集成的熱性能，并與其他2.5D和3D解決方案對比；二是深入探究該集成方式，評估不同工藝參數對熱性能的影響，助力行業明晰硅橋集成技術的熱邊界與挑戰。此外，本文還將介紹一種基于后道工藝（BEOL）埋入式集成方案，有望改善 EPB 并降低芯片間延遲。

2.5D集成和3D集成典型架構

不同2.5D集成方案的熱性能對比

2.5D與3D集成的熱性能對比

多片式3D集成

2.5D集成和3D集成典型架構

在集成電路封裝領域，2.5D與3D集成技術正通過垂直堆疊與高密度互連突破傳統物理限制，成為AI、HPC等高性能計算場景的核心解決方案。以下從技術架構、應用案例及行業趨勢三個維度進行介紹：

2.5D集成：硅橋接芯片重構橫向互連效率

2.5D集成的本質是在基板與芯片間引入中介層（Interposer），通過硅轉接板上的TSV通孔與微凸點（Micro-Bump）實現芯片間橫向互連。以FPGA-CPU-內存芯片構成的微系統為例，硅橋接芯片可埋入有機封裝基板（如Intel EMIB技術）或直接置于有源芯片與封裝層之間（如臺積電CoWoS-S）。

這種架構的優勢在于：

信號延遲降低：中介層提供比傳統基板更短的互連路徑，例如英偉達H100 GPU通過CoWoS封裝將HBM3與GPU芯片的傳輸延遲壓縮至納秒級；

異構集成靈活性：支持不同工藝節點芯片（如5nm CPU與28nm FPGA）的混合封裝，AMD EPYC處理器通過3D堆疊整合計算芯粒與緩存，性能提升40%；

成本可控性：相比3D集成，2.5D無需復雜TSV蝕刻工藝，良率更高。臺積電2024年CoWoS產能擴張至每月4萬片，支撐英偉達A100/H100等AI芯片需求。

行業最新進展顯示，混合鍵合（Hybrid Bonding）技術正取代傳統微凸點，實現10μm以下間距的垂直互連。臺積電SoIC技術已量產，英特爾Foveros Direct采用類似方案，將帶寬密度提升至1TB/s/mm2，較微凸點提升10倍。

3D集成：TSV驅動垂直堆疊密度革命

3D集成通過TSV實現芯片層間垂直互連，分為“帶中介層”與“單片式”兩種架構：

基于TSV的3D集成：邏輯芯片與存儲芯片（如DRAM）通過TSV直接堆疊，三星X-Cube技術已實現8層HBM3與GPU的垂直互聯，堆疊密度達10?/mm2。該架構面臨熱應力集中挑戰，需采用碳化硅散熱片與液冷方案，例如湖南大學提出的低溫單片式三維異構集成工藝，將熱預算降低30%。

單片式3D集成：通過標準光刻工藝依次處理多個有源器件層，實現芯片內部垂直互連。華盛頓大學研究顯示，該技術可使芯片尺寸減半，互聯線總長度減少2/3。但目前受限于層間對準精度（<1nm）與工藝兼容性，尚未大規模量產。

以CPU-FPGA-DRAM構成的微系統為例，3D堆疊可實現：

計算與存儲協同優化：CPU與FPGA通過TSV垂直互聯，減少數據搬運能耗；DRAM堆疊提供TB/s級帶寬，突破“存儲墻”限制；

能效比提升：3D集成使信號傳輸距離縮短90%，蘋果M1 Ultra采用UltraFusion架構實現雙芯片互連，帶寬達2.5TB/s，功耗降低20%。

技術演進趨勢：從架構創新到生態協同

材料多元化：硅中介層主導高性能場景，玻璃基板因熱膨脹系數可調（CTE<5ppm/℃）與低成本潛力（較硅中介層降低40%）成為新方向，英特爾已推出玻璃基板封裝測試方案；

標準化推進：UCIe聯盟推動芯粒（Chiplet）互聯接口統一，加速2.5D/3D生態構建。AMD、英偉達等企業通過開放Chiplet庫，縮短產品開發周期50%以上；

國內突破：長電科技XDFOI 2.5D封裝技術已用于4nm Chiplet芯片，通富微電7nm/5nm方案量產，但高端工藝（如混合鍵合）仍依賴進口設備，需加強產業鏈協同。

不同2.5D集成方案的熱性能對比

在先進封裝技術的熱管理領域，2.5D集成方案的熱性能優化始終是工程落地的關鍵挑戰。

本文基于風冷散熱系統（圖a），對轉接板、未埋入橋接芯片、含橋接芯片三種典型2.5D架構展開對比分析，所有熱模型均采用圖b所示的最大功率分布工況進行穩態仿真，以精準定位系統級熱瓶頸。

核心散熱路徑的共性特征

三種方案的熱流分布呈現顯著的一致性：超過97%的熱量通過頂部散熱器導出（轉接板方案97.17%、未埋入橋接芯片97.19%、含橋接芯片98.18%）。這一數據揭示了2.5D集成的本質熱傳導邏輯——硅轉接板或橋接芯片僅作為信號互連中介，其材料導熱系數（k≈150 W/m·K）雖遠高于有機基板（k≈1-3 W/m·K），但因厚度有限（通常<100μm），對縱向熱阻的貢獻不足3%。因此，所有方案的熱特性均由頂部散熱器的對流換熱效率主導，這解釋了為何三者結溫差異僅在±2℃范圍內波動。

二次散熱路徑的差異化影響

盡管主散熱路徑高度相似，但三種方案的二次散熱路徑差異導致結溫出現細微分化：

轉接板方案：熱量通過硅轉接板邊緣傳導至封裝基板，再經基板底面自然對流散失。由于硅與有機基板的界面熱阻較高，該路徑僅貢獻2.83%的散熱量，但局部熱點（如轉接板邊緣）溫度較中心區域高3-5℃，需通過優化基板銅箔布局緩解。

未埋入橋接芯片方案：橋接芯片直接暴露于封裝腔體內，其背面與基板間填充的TIM材料（k≈5 W/m·K）形成額外散熱通道。仿真顯示，該路徑使橋接芯片結溫降低1.2℃，但因TIM厚度均勻性難以控制（±10μm偏差導致熱阻波動15%），量產穩定性面臨挑戰。

含橋接芯片方案：通過將硅橋接芯片嵌入基板內部，利用基板預埋銅柱（k≈400 W/m·K）構建低熱阻路徑。該設計使橋接芯片的散熱份額提升至1.82%，結溫較轉接板方案降低0.9℃，且溫度梯度更平緩（ΔT<8℃），但需解決基板層壓工藝中的空洞缺陷（孔隙率需<1%以避免熱阻激增）。

橫向熱耦合的工程影響

所有方案均因導電通孔（TSV/微凸點）的存在表現出顯著的橫向熱耦合效應。例如，在FPGA-CPU-內存芯片組中，CPU芯片產生的熱量通過硅轉接板中的TSV傳導至相鄰FPGA芯片，導致FPGA邊緣區域溫度升高2-3℃。這種耦合效應在3D集成中更為突出（如HBM堆疊中DRAM芯片間的熱串擾可達5-8℃），但在2.5D場景下，通過調整芯片間距（建議>200μm）或引入石墨烯散熱片（k≈1500 W/m·K）可有效抑制。

2.5D與3D集成的熱性能對比

在先進封裝領域，2.5D與3D集成的熱性能對比始終是工程落地的核心挑戰。以AI加速器、HPC芯片等高功率密度場景為例，相同配置和工況下，3D堆疊集成因芯片垂直堆疊導致功率密度較2.5D方案激增30%-50%，熱管理難度呈指數級上升。

以上圖b數據為基準，基于橋接芯片的2.5D集成最大結溫溫升較兩種典型3D IC方案低8-12℃，這一差異源于2.5D架構通過中介層將熱量分散至散熱器頂面的路徑效率更高——其97%以上的熱量通過頂部散熱器導出，而3D集成因芯片間直接堆疊，橫向熱耦合效應增強，導致局部熱點溫度飆升。

3D集成的熱耦合機制與散熱瓶頸

3D集成的熱問題本質源于物理結構與材料特性的雙重約束。以上圖a所示CPU-FPGA 3D堆疊為例，芯片間通過TSV或混合鍵合實現垂直互連，但硅基材料的熱導率（k≈150 W/m·K）遠低于銅（k≈400 W/m·K），導致垂直熱阻占系統總熱阻的60%以上。此外，3D集成中芯片間距通常小于50μm，遠低于2.5D方案的200-500μm，使得橫向熱擴散路徑縮短，熱耦合效應顯著增強。實驗數據顯示，3D堆疊中相鄰芯片的溫差可低至5℃，但熱點溫度較2.5D方案高15-20℃，這種“均勻高熱”特性對散熱設計提出更高要求。

單片3D集成（如Monolithic 3D）的熱性能進一步惡化。由于有源層厚度僅50-100nm（較TSV-based 3D的10-50μm更薄），熱傳導路徑縮短導致熱量在芯片內部積累，散熱效率較TSV方案降低20%-30%。不過，其FPGA到散熱器的熱阻因直接鍵合工藝（如銅-銅混合鍵合）較TSV方案降低15%，部分抵消了散熱劣勢，最終最高溫度較TSV 3D低3-5℃。

2.5D集成的熱優勢與工程實踐

2.5D集成的熱性能優勢源于其“平面化+垂直傳導”的混合散熱路徑。以臺積電CoWoS-S為例，硅中介層通過TSV將熱量垂直傳導至封裝基板，再經基板底面的TIM材料（如燒結銀，k≈30 W/m·K）傳遞至散熱器，形成“芯片-中介層-基板-散熱器”的多級散熱網絡。這種結構使熱量分布更均勻，局部熱點溫度較3D方案低10-15℃，且因工藝成熟（如EMIB技術良率已達95%以上），量產穩定性顯著優于3D集成。

行業最新實踐進一步驗證了2.5D的熱管理優勢。AMD MI300X加速器采用液冷中介層設計，將8顆HBM3堆棧的熱點溫度控制在85℃以下，較3D堆疊方案（如HBM3E的12層DRAM堆疊）低20-25℃。此外，2.5D方案通過優化基板銅箔布局（如增加熱通孔密度至40%以上）和引入高導熱材料（如石墨烯散熱片，k≈1500 W/m·K），可將功率密度提升至500 W/cm2以上，滿足7nm及以下制程芯片的散熱需求。

多片式3D集成

在半導體集成技術向高密度、異構化演進的浪潮中，多片式3D集成方案正成為突破傳統架構物理極限的關鍵路徑。其中，基于后道工藝的埋入式集成方案通過將不同功能的芯粒（如I/O驅動器、射頻前端）嵌入基礎層（如應用處理器）背部，并疊加單片集成內存層（如RRAM），構建出分層解耦的立體系統。

這種設計不僅實現了邏輯、模擬、存儲功能的異質集成，更通過垂直堆疊縮短了互連長度，使信號傳輸效率較傳統2D方案提升3倍以上，同時功耗降低40%。

技術核心：橋接TSV與單片3D的互連范式

該方案的突破性在于通過3D無縫片外互連（SoC+）技術，融合了TSV 3D集成的機械穩定性和單片3D集成的電學優勢。具體而言，其采用兩步鍵合工藝：首先通過銅-銅熱壓鍵合實現芯粒與基礎層的物理連接，再利用混合鍵合（Hybrid Bonding）技術完成微凸點間距僅5μm的垂直互連。這種設計使系統帶寬密度突破1TB/s/mm2，較2.5D封裝提升一個數量級。行業最新案例顯示，AMD采用類似技術在其CDNA3架構中集成HBM3和Infinity Fabric控制器，使GPU核間通信延遲降低至8ns以下。

熱-力協同設計：破解高密度集成難題

面對多層堆疊帶來的熱密度激增（可達100W/cm2以上），該方案創新性地引入動態熱管理架構：在內存層嵌入微流體通道，通過氟化液循環將熱點溫度控制在85℃以下；同時采用梯度熱膨脹系數（CTE）材料，使基礎層與芯粒層的界面應力降低60%。臺積電CoWoS-S Plus技術已驗證此類設計的可靠性，其最新3D封裝通過在硅中介層中預埋應力緩沖層，使12層HBM堆疊的翹曲度控制在50μm以內。

制造工藝突破：自對準技術引領精度革命

為實現0.5μm級互連精度，該方案采用激光干涉輔助自對準技術：在鍵合前通過紫外光刻在芯粒表面生成周期性光柵結構，利用鍵合過程中材料表面張力引發的毛細作用，自動修正初始對準偏差。英特爾Foveros Direct技術已實現此類工藝的量產應用，其3D堆疊良率達到99.2%，較傳統方法提升15個百分點。此外，日本Keltec公司開發的等離子體活化鍵合工藝，可在常溫下實現銅-銅互連的電阻率降至1.8μΩ·cm，接近塊體銅材料性能。

挑戰與展望

盡管前景廣闊，該技術仍面臨兩大瓶頸：一是TSV刻蝕的深寬比突破（當前主流為10:1，需向30:1演進）；二是異質材料鍵合的界面缺陷控制（要求空隙率低于0.1%）。產業界正通過雙重曝光TSV工藝和原子層沉積（ALD）界面鈍化技術攻堅。隨著EUV光刻和GAA晶體管技術的協同發展，多片式3D集成有望在2030年前實現萬億晶體管級系統集成，為AI大模型訓練、6G通信等前沿領域提供硬件基石。