文章核心观点 - 半导体封装互连技术已从传统的芯片和PCB两级结构，演进为包含芯片、堆叠层、中介层、基板、PCB在内的五层复杂系统，这极大地提升了系统集成度和设计灵活性，但也带来了散热、信号完整性、成本及设计验证等多方面的严峻挑战 [1][3][12][18] 互连层级的演进与定义 - 互连“平台”定义为互连所在位置，历史上仅有两级：集成电路（IC）内部的金属布线和印刷电路板（PCB）上的金属布线，两者均可包含多层布线 [1] - 传统上，芯片设计和PCB设计是分离的，芯片布线以纳米为单位，PCB布线以微米/毫米为单位，两者尺度差异可达六个数量级，缺乏中间状态 [3] - 当前互连系统已发展为五层：芯片、堆叠层、中介层、基板、PCB，其中四层位于封装内部，需协同设计与验证 [12][18] 驱动互连复杂化的三大发展趋势 - **性能提升**：信号传输线路至关重要，过长的线路会降低性能，而传统互连方案缺乏介于纳米级芯片和微米级PCB之间的中间尺度 [3] - **芯片功率提升**：功率达到千瓦级时散热困难，旧式封装通过引线框架散热，但该方法已不足以应对需求 [4] - **芯片集成度提高**：单个芯片集成更多电路，导致功率密度（单位面积/体积的功率）增长速度可能超过功率本身，加剧散热挑战 [4] 封装技术的演进：从引线框架到基板与堆叠 - **倒装芯片与基板**：为满足更多I/O和散热需求，倒装芯片封装取代引线框架，将芯片连接到由有机材料制成的基板上，基板本质上是更精密的微型PCB，可有多层布线，成为新的互连层级 [4][5] - **3D堆叠封装**：通过硅通孔（TSV）实现芯片垂直堆叠，但TSV灵活性较低，每个TSV只能传输一个固定信号，其布局是整体划分设计的一部分 [5] - **堆叠封装的散热挑战**：堆叠中间芯片缺乏直接散热路径，热量会在相邻芯片间传递，散热是主要挑战，需依赖侧面散热或改进周围材料 [8] - **键合技术**：传统微凸点互连占主导，混合键合是性能更高但成本也更高的解决方案 [8] 2.5D集成与中介层技术 - **中介层作为第五层**：2.5D集成使用中介层作为中间“PCB”，其线间距比PCB或基板更小，裸芯片安装在中介层或基板上，而非直接安装于PCB [9] - **中介层材料**：可为有机材料（成本更低）或硅材料（可实现更精细尺寸，线间距更小），目前布线层数约四层，预计将增至八到九层 [9] - **中介层的优势**：一是使封装内芯片间连接得以隐藏；二是支持将大型单片系统级芯片（SoC）拆分为多个小芯片（Chiplet），以优化功耗、性能和面积 [10] - **中介层的挑战**：硅中介层厚度增加会导致机械翘曲（金属层厚约1.5至2.0微米，介质层总厚约15至20微米），且成本高于有机中介层 [12] - **成本权衡**：用基板代替中介层是更具成本效益的方案（基板线间距约25至50微米），但有机中介层线间距约2至5微米，对高性能计算应用仍具高实用价值 [12] 设计、验证与集成复杂性的提升 - **协同设计必要性**：五层互连系统要求封装内部四层必须一起设计和验证，打破了芯片与封装设计独立的传统 [12] - **早期架构决策**：互连层级在架构早期提供最大灵活性，例如决定是否拆分单片设计，但各层布线资源显著影响布线性能 [14] - **多物理场验证**：验证范围远超功能验证，需包括结构材料分析、布局规划、翘曲分析、电学仿真、热完整性（功耗、热通量、散热方法）及封装级散热管理（空气流动或液冷） [16] - **集成团队角色**：集成团队需将独立开发的芯片或芯片组整合，并验证信号完整性、电源完整性、抗翘曲鲁棒性及整体散热性能 [17] 电源与信号完整性的新方案 - **电压调节靠近芯片**：互连层增加允许电压调节器置于封装内部（基板或中介层上），而非仅在系统级 [17] - **去耦电容布局优化**：在先进封装中，用于缓冲电压波动的去耦电容可从PCB移至封装下方、基板上或中介层上，甚至可集成到基板或中介层的核心层中 [17] - **性能提升潜力**：五个互连层级均为将电源和去耦电路更靠近芯片提供了机会，目前虽未全部采用，但为未来性能提升预留了空间 [18]