文章核心观点 - 微电子和先进封装技术路线图2.0的发布标志着行业对异构集成和系统级封装的重视，以应对传统晶体管微缩达到物理极限的挑战，通过Chiplet和异构集成实现性能、功率、面积和成本的优化[1] - 异构集成对于下一代计算和通信系统至关重要，其在提高良率、IP复用、增强性能和优化成本方面具有显著优势，是未来高性能计算、人工智能和边缘计算应用的基础[1][14] - 路线图涵盖了从芯片封装协同设计、下一代互连技术、电力输送与热管理到材料、基板、组装测试和可靠性等全产业链的技术发展需求，为行业提供了明确的技术发展路径和时间表[4][13][24][34][47][56][67][71] 芯片封装架构和协同设计 - 宏观和微观层面的2.5D/3D异构集成对于实现未来ICT系统至关重要，这种范式转变将推动封装为知识产权、异构架构和可靠系统集成的芯片设计创新[5] - 芯片封装协同设计需要高保真度及高效的建模工具和技术，包括基于机器学习的工具，以支持从架构定义到验证的全流程[2][9] - 设计空间探索利用分析模型和人工智能辅助技术，在早期阶段快速评估异构集成系统设计，以优化设计范围，随着集成规模急剧变化，其重要性日益凸显[8] - 测试与可靠性面临独特挑战，未来异构系统测试需要足够模块化以解决每个组件的特定测试方法，并在覆盖率、复杂性和成本之间取得平衡，自测试是首选解决方案[10] - 先进封装的安全问题日益重要，设计自动化工具需要扩展包括安全性、需求追踪和生命周期管理，以应对多芯片组系统级封装日益复杂带来的安全威胁[11][12] 先进封装中异构集成的下一代互连 - 下一代互连技术是提升性能、增加数据带宽和降低能耗的关键，创新包括硅通孔、中介层和混合键合方法的发展，高密度硅通孔可实现堆叠芯片之间的垂直互连[14] - 混合键合技术如直接键合互连日益受到关注，这些方法实现了更高的互连密度和卓越的电气性能，芯片到晶圆间距小于3微米，互连密度大于10^5/平方毫米[15][17] - 光子互连技术被探索以突破电连接的局限性，片上光子技术可提供低延迟、高吞吐量的连接，同时功耗更低，混合电光解决方案结合了电子和光子互连的优势[17] - 重分布层是先进互连技术的另一个关键组件，细间距重分布层无需硅中介层即可提供高密度连接，高带宽内存接口依靠先进的互连解决方案实现高效数据传输[18] - 3D芯片集成的目标是实现更高的效率和更高的带宽密度，具体表现为更高的能量效率（以bits/J为单位）和更高的带宽密度（以IO/毫米或IO/平方毫米为单位）[19][21][22] 电力输送和热管理 - 由于核心数量增加，电源轨也随之增加，高功率AI和HPC领域处理器的电流将超过1000安培，集成电压调节器成为解决电力输送挑战的关键解决方案[24][25] - 集成电压调节器方案日益普及，其通过以更高的电压为处理器供电来减少供电网络中的路由损耗，根据拓扑结构大致分类，包括电源门开关、线性稳压器和开关稳压器[25][26][27] - 未来功率传输对材料和元件提出更高要求，例如到2035年，片上金属-绝缘体-金属电容密度需大于1微法/平方毫米，集成电压调节器需支持12-48伏特[28] - 热管理面临由于工艺不断扩展导致芯片级功率密度增加，以及先进3D封装带来独特散热挑战，未来需要先进的散热界面材料、集成散热器和系统级冷却解决方案[29][30][31][32] - 热管理技术发展路径明确，例如到2035年，需要芯片嵌入式冷却等尖端技术，热界面材料的热阻需显著降低，系统冷却解决方案需能够从3D计算堆栈内部提取热量[33] 材料与基板技术 - 新材料是互连、高密度基板、散热和新兴器件开发创新的基础，特定应用驱动因素包括高性能计算、电力电子和通信基础设施，将用于定义新材料功能以提升系统级性能[3][34] - 基板技术从芯片载体向集成平台转变，驱动属性是凸块间距和输入/输出扩展，高性能计算应用需要平台可扩展至10,000输入输出/平方毫米，这要求凸块或焊盘间距为10微米[36][37] - 高密度基板微缩有几种发展路径，包括将细间距凸块芯片连接到线宽和间距≤2微米的高密度有机基板上，或使用有机/无机重分布层来布线，需要新材料和工艺支持[41][42] - 射频器件基板技术向更高频率发展，未来系统工作频率高于100吉赫兹，需要线宽/线间距低于15/15微米、间距低于20微米、焊盘尺寸低于30微米的先进集成电路基板技术[45][46] - 高密度基板技术发展路线图明确，例如到2030年，芯片凸点间距需≤10微米，线宽/间距需低于2微米，最大增层数达到30层，并嵌入芯片、电容、电感等元件[42][43] 组装、测试与可靠性 - 组装技术从传统倒装芯片封装向带有铜柱的细间距转变，未来需要转向更精细的间距（<10微米），并从基于焊料的互连过渡到无焊料互连，涉及混合键合工具的开发[52][53][54] - 共封装光学器件对于满足未来带宽和功率需求至关重要，其组装面临独特挑战，包括无助焊剂芯片连接工艺、低温固化材料和光纤连接组装工艺复杂性的增加[55] - 测试挑战源于使用现成的现有芯片导致可测试性设计集成效果不佳，这会导致自动测试设备中的仪器更加昂贵和总体测试成本更高，需要更好的测试集成方法[56] - 可靠性对于满足高性能电子系统需求至关重要，挑战包括先进封装架构、材料和结构的集成，以及新型测试和认证方法的开发，特定应用的可靠性鉴定指南为行业提供标准[67][68][69] - 未来十年可靠性指标不会发生显著变化，但满足相同指标将更具挑战性，如果新材料、新工艺和新尺寸在设计过程中没有预先考虑可靠性，将达到非常困难[70] 成本性能权衡与未来趋势 - 理解Chiplet化的性价比权衡至关重要，较小的芯片组在良率、可重用性方面有优势，但更大的芯片组在功耗和成本方面更具优势，最佳芯片组尺寸因节点和应用而异[72] - 虽然当前技术将Chiplet化的性价比最优值设定为每个封装约10个芯片，但未来技术进步可以带来数量更多的芯片系统，预计将增加多达1000个不同尺寸的芯片和高达24层的3D堆叠[75] - 未来挑战和需求明确，需要新的设计工具包括数字孪生以支持协同设计，需要跨多尺度的多物理场分析模型，需要从基于焊料的互连过渡到无焊料互连[77] - 随着对更小尺寸、更轻重量和更低成本的需求增加，可靠性和测试挑战也随之而来，虽然认证指标可能不会显著变化，但达到相同指标将极具挑战性[70][77]