半导体先进封装之“2.5D/3D封装技术”的详解；

科创之家 2026-03-24 共7087人围观

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讲到半导体封装，相信大家现阶段听到最多的就是“先进封装”了。

其实先进封装（Advanced Packaging）最清晰定义就是：超越传统引线键合、追求更高性能 / 更高集成度 / 更小尺寸的新一代封装技术的总称。

它并不是单指某一种工艺，而是一整套技术路线，其核心目标就是：更小、更薄、更快、更热、更集成。

所以，当前的“先进封装”就是用倒装、扇出、2.5D/3D 堆叠等技术，实现芯片高性能、高集成、小型化的高端封装路线，也是当前半导体行业增长最快的赛道之一。

2.5D和3D封装，都是对芯片进行堆叠封装。在2.5D和3D封装之前，首先发展起来的是MCM（ Multi-Chip Module，多芯片组件）。

而MCM，是将多个未封装的裸片和其它元器件，组装在同一块多层高密度基板上，进行通过基板电路进行互连接，然后进行封装。

MCM已有十几年的历史，组装对象是超大规模集成电路和专用集成电路的裸片，而不是中小规模的集成电路。MCM的出发点，是满足高速度、高性能、高可靠和多功能需求。体积和重量，并不是优先关注的对象。

MCM的技术难度低、成本低、可靠性高，但集成密度低、时延相对较大。我们可以把它理解为是一种2D集成。它预示了芯片集成化、堆叠化的趋势。后来，基于这个趋势，就有了更先进的2.5D封装和3D封装。

在探讨2.5D和3D封装技术之前，我们需要了解为什么这些技术如此重要。随着集成电路（IC）技术的不断发展，摩尔定律面临着逐渐放缓的趋势。为了满足高性能、高带宽和低功耗的需求，传统的平面封装技术已经无法满足现代电子设备的需求。这推动了2.5D和3D封装技术的发展，它们被视为超越摩尔定律局限，开启电子系统新篇章的关键技术。

一、2.5D和3D封装技术定义和特点

2.5D封装技术作为一种先进的封装技术，它的定义和特点对于理解其在电子系统中的应用和优势至关重要。

1、2.5D封装定义与特点

（1）定义

2.5D封装技术的定义可以从几个不同的角度来解释：

首先，它是一种介于传统2D封装和3D封装之间的过渡技术。是将多个异构的芯片，比如逻辑芯片、存储芯片等，通过使用硅中介层（Silicon Interposer）和硅通孔（Through-Silicon Via, TSV）实现芯片之间的垂直电气连接，从而提高系统的整体性能。同时，这个中介层（Silicon Interposer）通常还是一块具有高密度布线的硅片，可以实现芯片之间的短距离、高速通信。

其次，2.5D封装还可以被视为一种异构芯片封装，能够实现多个芯片的高密度线路连接，集成为一个封装。

最后，2.5D封装技术可以看作是一种过渡技术，它相对于传统的2D封装技术，在性能和功耗上有了显著的改进，同时相比于更先进的3D封装技术，技术难度和成本较低。

总之，因为2.5D 封装是用硅中介层实现多芯片并排高速互联的先进封装，所以也是当前AI芯片的标配方案。

（2）特点

2.5D封装技术的主要特点包括以下五个方面：

a. 高性能

硅中介层提供了高密度的互连，使得芯片之间的数据传输速度大大提高。这一点在搜索结果中得到了明确的阐述，指出2.5D封装技术的关键在于硅中介层的设计和制造，以及硅通孔（TSV）技术实现的垂直互连。

b. 灵活性

2.5D封装可以集成不同工艺、不同功能的芯片，实现了异构集成。这种灵活性使得2.5D封装在实际应用中具有更大的适应性和可能性。

c. 可扩展性

通过增加硅中介层的面积和TSV的数量，可以方便地扩展系统的功能和性能。这意味着2.5D封装技术能够适应未来技术发展的需求，容易进行升级和扩展。

d. 制造成本相对较低

尽管2.5D封装技术存在一些挑战，如制造成本高，但相比于3D封装技术，2.5D封装的制造工艺相对较为成熟，成本相对较低。这使得2.5D封装成为了许多电子系统制造商的首选封装技术。

e. 热管理问题

由于多个芯片紧密集成，热密度较高，需要有效的热管理方案。这是2.5D封装技术面临的一个重要挑战，需要在设计和制造过程中考虑到热管理和散热问题。

2、3D封装技术定义和特点

3D封装技术是一种先进的集成电路封装技术，它通过在垂直方向上堆叠多个芯片，实现了更高的封装密度和性能。

（1）定义

3D封装，又称为3D晶圆级封装（WLP），是一种封装技术，它允许在不改变封装体尺寸的前提下，在同一个封装体内于垂直方向叠放两个以上芯片。这种技术起源于快闪存储器（NOR/NAND）及SDRAM的叠层封装。

3D封装技术则是将多个芯片垂直堆叠在一起，通过通过硅通孔（Through-Silicon Via, TSV）实现芯片间的电连接。这种技术可以进一步缩短芯片间的距离，提高集成度和性能，同时减少功耗和空间占用。

因此，由于3D封装是芯片垂直堆叠 + 垂直互联的顶级先进封装，性能最强、难度最大，所以也是代表半导体封装未来的方向标。

（2）特点

3D封装技术的关键优势包括以下3个方面：

a. 多功能性与高效能

3D封装的主要特点是多功能、高效能。它可以使得单位体积上的功能及应用成倍提升。

b. 大容量高密度

3D封装能够实现大容量高密度，这是因为在垂直方向上增加了芯片的堆叠，从而显著提高了封装密度。

c. 低成本

除了提供高性能之外，3D封装还具有较低的成本，这使得它在商业上更具吸引力。

二、2.5D封装与3D封装技术的异同点

2.5D封装与3D封装的主要区别在于其互连方式和集成度。2.5D封装通常在中介层上进行布线和打孔，而3D封装则是在芯片上直接打孔和布线，实现电气连接上下层芯片。2.5D封装的代表技术包括英特尔的EMIB、台积电的CoWoS和三星的I-Cube，而3D封装则以英特尔和台积电的一些高端处理器为例。

同时，2.5D封装通常被视为是结合了2D和3D特点的中间技术，因为它使用了中介层和一些3D封装的特性，但它避免了3D封装中直接在芯片上制作TSV的复杂性和成本。

具体来讲，2.5D封装和3D封装都是新兴的半导体封装技术，它们都可以实现芯片间的高速、高密度互连，从而提高系统的性能和集成度。以下是它们的一些主要异同点：

1、互连方式的不同

2.5D封装是通过TSV（Through Silicon Vias）转换板连接芯片，而3D封装则是将多个芯片垂直堆叠在一起，并通过直接键合技术实现芯片间的互连。在2.5D结构中，两个或多个有源半导体芯片并排放置在硅中介层上，以实现极高的芯片到芯片互连密度。而在3D结构中，有源芯片通过芯片堆叠集成，以实现最短的互连和最小的封装尺寸。

2、制造工艺的不同

2.5D封装需要制造硅基中介层，并且需要进行微影技术等复杂的工艺步骤；而3DIC封装则需要进行直接键合技术等高难度的制造工艺步骤。

3、应用场景的不同

2.5D封装通常应用于高性能计算、网络通信、人工智能、移动设备等领域，具有较高的性能和灵活的设计；而3DIC封装通常应用于存储器、传感器、医疗器械等领域，具有较高的集成度和较小的封装体积。

4、技术特点和优势

2.5D封装的概念与2.5D封装类似，但与传统2.5D封装的区别在于没有TSV。因此，EMIB技术具有封装良率正常、无需额外工艺、设计简单等优点。台积电的CoWoS技术也是一种2.5D封装技术，根据中介层的不同，可分为三类：CoWoS_S（使用Si衬底作为中介层）、CoWoS_R（使用RDL作为中介层）、CoWoS_L（使用小芯片(Chiplet)和RDL作为中介层）。三星的I-Cube也是2.5D封装技术的一种解决方案。

另一方面，3D封装技术如台积电的SoIC技术，属于3D封装，是wafer-on-wafer键合技术。SoIC技术采用TSV技术，可以实现非凸点键合结构，将许多不同性质的相邻芯片集成在一起。SoIC技术将同类和异构小芯片集成到单个类似SoC的芯片中，该芯片具有更小的尺寸和更薄的外形，可以单片集成到高级WLSI（又名CoWoS和InFO）中。新集成的芯片从外观上看是一颗通用SoC芯片，但内嵌了所需的异构集成功能。

三、2.5D封装与3D封装器件的装配与封装挑战

关于2.5D封装与3D封装器件的装配与封装挑战，就是本章节要跟大家重点分享的内容，该部分内容讨论了热压键合（TCB)、预填充、芯片堆叠（D2W)等技术。虽然该报告资料已经距今10年时间，但是仍然对于在先进封装技术及其设备领域有着主要学习和参考价值，所以希望能与有兴趣的朋友们一起多交流学习：

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四、2.5D封装与3D封装技术的应用前景

1、2.5D封装技术应用前景

2.5D封装技术是当前 AI/HPC 的主流标配，3D 封装是后摩尔时代的终极方向，两者将长期共存、协同演进，共同支撑算力与集成度的持续跃升。

2.5D封装属于成熟落地，主流刚需。据统计，2025–2030年CAGR 约18%，2030年HBM相关2.5D封装规模将达42 亿美元。

而技术迭代，大尺寸中介层（>2000mm²）、多 HBM 堆叠、低成本玻璃中介层逐步普及也是迟早的事。

2、3D封装技术应用前景

3D封装，因技术跃迁，所以将成为未来的核心封装技术。其核心定位就是后摩尔时代的终极路线，2027年后将进入大规模商用。据预测统计，3D SoC（混合键合）2024–2030年CAGR高达949%，是增长最快的先进封装细分，到2030年，3D封装在先进封装中占比将超40%，成为绝对主流。

综合来讲，2.5D 是现在的 “现金牛”，3D 是未来的 “增长引擎”，两者共同定义后摩尔时代的芯片形态。

2.5D和3D封装技术正在开启微电子领域的新篇章。它们不仅能够满足高性能计算、大数据处理、人工智能等领域对集成度和性能的高要求，也为可穿戴设备、智能手机等消费电子产品提供了更小型化、更高效的解决方案。未来，随着技术的成熟和应用的拓展，2.5D与3D封装技术将在促进电子系统向更高性能、更低功耗、更小体积方向发展中发挥关键作用。

五、2.5D封装与3D封装技术的未来展望

2.5D与3D 封装将走向成熟迭代+技术跃迁+深度融合的协同格局。

2.5D 在未来 3–5 年仍是 AI/HPC 的主流方案并持续降本扩量；而3D 封装则以混合键合为核心，在 2027 年后进入大规模商用，成为后摩尔时代的核心引擎。两者长期共存、互补演进，共同定义下一代芯片形态。

尽管2.5D和3D封装技术目前仍面临诸如成本、制造复杂性及散热管理等挑战，但它们在高性能计算、人工智能、大数据以及移动和可穿戴设备等领域的应用前景广阔。随着相关制造技术的进步和成本的降低，预计这些封装技术将在未来的电子系统中发挥越来越重要的作用。

综上所述，2.5D 是现在的 “高性能基石”，3D 是未来的 “性能引擎”，3.5D 则是两者融合的 “黄金桥梁”。2.5D与3D封装技术不仅是集成电路封装领域的一次革命，更是电子系统设计和制造领域的一场变革。它们的发展将推动电子设备向更高性能、更低功耗和更小型化的方向发展，开启电子系统的新篇章，共同开启后摩尔时代的芯片新纪元。