多芯片封裝（MCP）的*解析

老虎說芯|Tiger Chip|

2024-12-09 10:11:11 1012

多芯片封裝技術(shù)（Multi-Chip Packaging, MCP）是現(xiàn)代集成電路（IC）領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，用于在一個(gè)封裝中集成多個(gè)芯片或功能單元。這項(xiàng)技術(shù)通過空間的優(yōu)化和功能的協(xié)同，大幅提升了器件的性能、帶寬及能源效率，是未來高性能計(jì)算、人工智能、通信等領(lǐng)域的核心基礎(chǔ)。

1. 多芯片封裝的基本概念

1.1 定義與核心思想

多芯片封裝是一種將多個(gè)芯片（邏輯芯片、存儲(chǔ)芯片、射頻芯片等）集成到一個(gè)封裝體中的技術(shù)。它包括2.5D封裝（通過硅中介層連接）和3D封裝（垂直堆疊芯片），實(shí)現(xiàn)更高的集成度和性能。

比喻：可以將多芯片封裝理解為搭建“微型城市”：每個(gè)芯片是一個(gè)功能區(qū)域，通過“道路”（互連結(jié)構(gòu)）連接，實(shí)現(xiàn)高效協(xié)作。

1.2 優(yōu)勢(shì)

提升性能：縮短芯片間信號(hào)傳輸路徑，降低延遲和功耗。

節(jié)省空間：更小的封裝體積適用于移動(dòng)設(shè)備和高密度服務(wù)器。

模塊化設(shè)計(jì)：便于不同功能芯片的靈活組合，降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

2. 關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

2.1 先進(jìn)基板

先進(jìn)基板是多芯片封裝的物理載體，其性能直接決定信號(hào)傳輸?shù)乃俣群凸摹．?dāng)前技術(shù)要求先進(jìn)基板的線寬/線距在1/1μm甚至更小，以滿足高帶寬和低功耗的需求。

當(dāng)前缺口：美國(guó)產(chǎn)業(yè)鏈在先進(jìn)基板制造方面落后于亞洲，特別是在精細(xì)間距重新布線層（RDL）技術(shù)上。

未來目標(biāo)：HIR計(jì)劃到2030年實(shí)現(xiàn)0.5/0.5μm線寬/線距。

2.2 互連技術(shù)

芯片間互連是多芯片封裝的核心挑戰(zhàn)。包括以下兩種主流技術(shù)：

硅中介層（Interposer）：提供高密度互連，支持更大的帶寬，但制造成本高。

有機(jī)基板：成本較低，但信號(hào)完整性和散熱性能略差。

2.3 熱管理

封裝功率密度的增加對(duì)熱管理提出了更高要求。

挑戰(zhàn)：200-400W的熱設(shè)計(jì)功耗（TDP）需要有效散熱方案。

解決方案：引入先進(jìn)的封裝內(nèi)熱導(dǎo)材料、集成熱界面材料（TIM）和液冷等技術(shù)。

2.4 電源傳輸

高帶寬需求使電源傳輸成為一大瓶頸。

問題：傳統(tǒng)分立電源組件已無法滿足封裝內(nèi)高功率密度要求。

解決方法：基于封裝內(nèi)電壓調(diào)節(jié)器（IVR）的技術(shù)，利用電感和開關(guān)電容實(shí)現(xiàn)高效電源傳輸。

3. 工藝挑戰(zhàn)

3.1 制造工藝

多芯片封裝的實(shí)現(xiàn)依賴高精度制造工藝，主要包括：

精細(xì)間距RDL制造：當(dāng)前投資主要集中在亞洲，需要突破以實(shí)現(xiàn)更高的線寬/線距。

面板級(jí)封裝（PLP）：針對(duì)大尺寸封裝提供更高性價(jià)比的解決方案。

3.2 材料升級(jí)

多芯片封裝需要新型材料的支持：

中介層替代材料：如高密度陶瓷基板，具備更高熱導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度。

封裝材料：需要支持更高的熱導(dǎo)率和更低的電阻。

3.3 可靠性

堆疊芯片和細(xì)間距互連帶來的機(jī)械應(yīng)力、熱膨脹失配需要解決封裝長(zhǎng)期可靠性問題。

4. 未來發(fā)展趨勢(shì)

4.1 小芯片（Chiplet）和異構(gòu)集成

小芯片技術(shù)將不同工藝節(jié)點(diǎn)、功能模塊芯片進(jìn)行集成。相比傳統(tǒng)的單片設(shè)計(jì)，小芯片提供了更高的靈活性和性能。

HBM3應(yīng)用：如高帶寬存儲(chǔ)（HBM3）需要每通道4-6Gbps的數(shù)據(jù)速率，封裝中的I/O數(shù)量快速增長(zhǎng)，每個(gè)硅節(jié)點(diǎn)的HBM數(shù)量將增加1.4倍。

4.2 2.5D與3D封裝的擴(kuò)展

2.5D封裝：擴(kuò)展EMIB技術(shù)，提高帶寬密度并降低成本。

3D封裝：通過垂直堆疊實(shí)現(xiàn)更高的性能密度，但對(duì)熱管理和制造精度提出更高要求。

4.3 高密度基板技術(shù)

未來目標(biāo)是將有機(jī)基板和面板級(jí)基板的性能提高到1/1μm以下，從而實(shí)現(xiàn)更低的電阻和更高的傳輸速度。

4.4 電源集成

封裝內(nèi)電源集成技術(shù)將進(jìn)一步優(yōu)化，通過局部電壓調(diào)節(jié)器和高效電源傳輸組件，支持高功率應(yīng)用。

5. 總結(jié)與展望

多芯片封裝技術(shù)已經(jīng)成為集成電路產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵方向，其優(yōu)勢(shì)在于提升性能、節(jié)省空間和支持多樣化應(yīng)用。然而，該技術(shù)仍面臨基板制造、熱管理、電源傳輸?shù)榷喾矫娴奶魬?zhàn)，需要從材料、工藝、設(shè)計(jì)等多個(gè)維度進(jìn)行持續(xù)創(chuàng)新。

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