除了先进的制造工艺，先进的封装也成为延续摩尔定律的关键技术。近年来，2.5D、3D和小芯片等技术已经成为半导体行业的热门话题。毕竟，先进的包装如何在延续摩尔定律中发挥关键作用？2.5D、3D、小芯片等封装技术有什么特点？
人工智能(AI)、车联网、5G等应用层出不穷，都必须使用高速运算、高速传输、低延迟、低能耗的先进功能芯片；然而，随着计算需求的不断增加，如何延续摩尔定律成为半导体行业的一大挑战。
芯片小型化越来越难，异构集成应运而生。
换句话说，先进的半导体工艺已经进入7 nm和5 nm，然后开始向3 nm和2 nm迈进，所以晶体管尺寸正在接近原子的物理体积极限，电子和物理的限制也使得先进工艺的不断小型化和升级变得越来越困难。
因此，除了先进制造工艺的不断发展，半导体行业也开始寻找其他方法来保持芯片小，同时保持高效率。芯片版图设计成为摩尔定律的新解法，异构集成设计架构系统(HIDAS)的概念应运而生，也成为ic芯片的创新动能。
所谓异构集成，广义来说就是通过封装、3D堆叠等技术，将存储器+逻辑芯片、光电子+电子元器件等两个不同的芯片集成在一起。换句话说，两个不同的过程，而不是同性定性芯片的集成可以称为异构集成。
由于应用市场更加多样化，每个产品的成本、性能、目标群体都不一样，因此所需的异构集成技术也不尽相同，市场细分的趋势逐渐显现。为此，IC OEM、制造和半导体设备制造商纷纷投资开发异构集成。现在流行的2.5D、3D封装、小芯片等封装技术都是基于异构集成的思想，雨后春笋般的出现。
2.5D封装有效降低了芯片生产成本。
在过去，为了将芯片集成在一起，大多数都使用系统级封装(SiP)技术，如PiP(封装中封装)和PoP(封装上封装)。但随着智能手机、AIoT等的应用，不仅需要更高的性能，还需要小尺寸、低功耗。在这种情况下，必须堆叠更多的芯片来减小尺寸。因此，目前的封装技术除了最初的SiP之外，正在向三维封装技术发展。
一般来说，三维封装就是直接用硅片制成的“硅中介层”代替塑料制成的“导线载体”，将几个功能不同的芯片直接封装成一个效率更高的芯片。换句话说，硅片以芯片堆叠的方式堆叠在硅的上面，提高了工艺成本和物理限制，让摩尔定律继续得以实现。
三维包装是众所周知的2.5D和3D包装。这里先说2.5D封装。所谓2.5D封装的主要概念是将处理器、存储器或其他芯片并排排列在一个硅转接板上，先通过微凸块连接起来，使硅转接板中的金属线可以连接不同芯片的电子信号；然后通过硅通孔(TSV)连接下层金属凸点，再通过导线载体连接外部金属球，实现芯片、芯片和封装基板之间更紧密的互连。
2.5D和3D封装是流行的立体封装技术。(来源:ANSYS)
目前比较知名的2.5D封装技术无非是TSMC的CoWoS。CoWoS技术的概念简单来说就是半导体芯片(如处理器、存储器等。)首先放置在硅内插器上，然后通过晶片上芯片(CoW)的封装工艺连接到下面的衬底。也就是说，先通过晶圆上芯片(CoW)封装工艺将芯片连接到硅片上，再将CoW芯片连接到基板上，集成为CoWoS；利用这种封装方式，可以将多个芯片封装在一起，通过Si中介层互连，达到封装体积小、功耗低、引脚少的效果。
TSMC考沃斯包装技术的概念。(来源:TSMC)
除了CoWos，扇出晶圆级封装也可以归为2.5D封装的一种方式。扇出晶圆级封装技术的原理是将所需电路从半导体裸片的端子拉出到再分布层，然后形成封装。因此，不需要密封负载板、导线和凸点，可以降低30%的生产成本，使芯片更薄。同时也减少了很多芯片面积，还可以通过硅片穿孔替代高成本，从而通过封装技术达到集成不同元器件功能的目的。
当然，三维封装技术不仅仅是2.5D，还有3D封装。那么，两者的区别在哪里，3D封装正在被半导体厂商采用？
与2.5D封装相比，3D封装的原理是在芯片上制作一个晶体管(CMOS)结构，直接用硅通孔连接不同芯片的电信号，从而直接将存储器或其他芯片垂直堆叠在上面。这种封装的最大技术挑战是直接在芯片中制作硅通孔极其困难。但由于高性能计算、人工智能等应用的兴起，以及TSV技术的成熟，我们可以看到越来越多的CPU、GPU、内存开始采用3D封装。
3D封装就是直接堆叠芯片。(来源:英特尔)
TSMC和英特尔积极开发3D封装技术。
在3D封装方面，英特尔和TSMC都有自己的技术。英特尔采用“Foveros”3D封装技术，使用异构堆叠逻辑处理运算，使所有逻辑芯片可以堆叠在一起。换句话说，芯片堆栈首次从传统的无源硅内插器和堆叠式存储器扩展到高性能逻辑产品，如CPU、图形和AI处理器。以前堆叠只用于内存，现在异构堆叠用于堆叠。在过去，异构堆叠用于存储器，以便存储器和计算芯片可以以不同的组合堆叠。
此外，英特尔还开发了三项新技术，即Co-EMIB、ODI和MDIO。Co-EMIB可以连接更高的计算性能和能力，并且可以互连两个或多个Foveros组件。设计人员还可以连接模拟器、存储器和其他具有非常高的带宽和非常低的功耗的模块。ODI技术为封装中小尺寸芯片之间的全方位互联互通提供了更大的灵活性。顶层芯片可以像EMIB技术一样与其他小芯片进行通信，同时也可以像Foveros技术一样通过硅通孔(TSV)与下面的底层管芯进行垂直通信。
英特尔Foveros技术概念。(来源:英特尔)
同时，该技术还利用大的垂直通孔直接从封装基板向顶部管芯供电。这个通孔比传统的硅通孔大很多，电阻更低，可以提供更稳定的功率传输。并通过堆叠实现更高的带宽和更低的延迟。这种方法减少了基础芯片中所需的硅通孔数量，为有源元件腾出了更多的面积，并优化了芯片尺寸。
另一方面，TSMC提出了“3D多芯片和系统集成芯片”(SoIC)的集成方案。这种片上系统解决方案直接堆叠不同尺寸、工艺技术和材料的已知良好裸片。
TSMC提到，与传统的使用微凸点的3D集成电路解决方案相比，这种系统集成芯片的凸点密度和速度高出数倍，功耗大大降低。此外，片上系统(SOC)是一种前端工艺集成解决方案，在封装前连接两个或两个以上裸片；因此，片上系统可以利用这一点公司采用InFO或CoWoS的后端先进封装技术，进一步集成其他芯片，打造强大的“3D×3D”系统级解决方案。
此外，TSMC还推出了3DFabric，以集成快速增长的3DIC系统集成解决方案，提供更好的灵活性，并通过坚实的芯片互连创建强大的系统。凭借不同的前端芯片堆叠和后端封装选项，3DFabric可帮助客户将多个逻辑芯片连接在一起，甚至可以串联高带宽存储器(HBM)或异构小芯片，如模拟、输入/输出和RF模块。3DFabric可以结合后一种3D技术和前一种3D技术的解决方案，并可以补充晶体管小型化，不断提高系统性能和功能，缩小尺寸和外观，加快上市时间。
继2.5D和3D之后，小芯片也是最近半导体行业热门的先进封装技术之一。最后，简单说明一下小芯片的特点和优势。
除了2.5D和3D封装，小芯片也是备受关注的技术之一。由于电子终端产品向高集成度发展，对高性能芯片的需求不断增加。但随着摩尔定律逐渐放缓，在不断提升产品性能的过程中，如果为了集成新的功能芯片模块而增加芯片面积，将面临成本增加、良率低的问题。因此，小芯片成为半导体行业摩尔定律面临瓶颈的技术替代方案。
小芯片就像拼图，把小芯片组做成大芯片。
芯片的概念起源于20世纪70年代诞生的多芯片模块。一般来说，它的原理是若干个较小的芯片，如同质芯片、异质芯片，变成大芯片，即把原来设计在同一个SoC中的芯片拆分成许多不同的小芯片，分别制造，然后封装或组装。因此，这种分裂的芯片被称为小芯片。
由于先进工艺成本的快速增加，不同于SoC设计，大尺寸多核设计被分散到更小的芯片中，更能满足当今高性能计算处理器的需求；本发明不仅提高了灵活性，还具有更好的成品率和成本节约的优点，减少了芯片设计时间，加快了芯片上市时间。
使用小芯片有三个好处。因为先进的工艺成本非常高，尤其是模拟电路和I/O越来越难以随着工艺技术缩小。小芯片将电路分割成独立的小芯片，强化其功能、工艺技术和尺寸，最终集成在一起，克服工艺难以缩小的挑战。此外，基于小芯片，可以使用现有的成熟芯片来降低开发和验证成本。
目前，许多半导体制造商已经采用小芯片推出高性能产品。例如，英特尔Stratix 10 GX 10M FPGA采用小芯片设计，以实现更高的组件密度和容量。该产品基于现有的英特尔Stratix 10 FPGA架构和英特尔先进的嵌入式多芯片互连桥接(EMIB)技术，采用EMIB技术融合两个高密度的英特尔Stratix 10 GX FPGA核心逻辑芯片和相应的I /O单元。AMD的第二代EPYC系列处理器也是如此。与第一代小芯片将内存和I/O合并成一个14 nm的CPU不同，第二代将I/O和内存分离成一个芯片，将7 nm的CPU切割成八个芯片进行组合。
总之，过去芯片性能的提升是靠半导体制造工艺的改进。然而，随着器件尺寸越来越接近物理极限，芯片小型化越来越困难。为了保持芯片设计的小体积和高效率，半导体行业不仅继续开发先进的制造工艺，而且开始改进芯片架构，使芯片将从原来的单层转向多层堆叠。正因如此，先进封装也成为改进摩尔定律的关键驱动力之一，在半导体行业一马当先。