芯片互联技术的演进路径与先进封装方案

 

一、传统互连技术的局限

 

传统芯片互连主要依赖引线键合和倒装焊技术。引线键合通过金线或铜线将芯片焊盘与封装基板连接，工艺成熟但互连密度有限，每颗芯片的I/O数量通常限制在数百至数千。倒装焊通过芯片表面的焊料凸点与基板直接连接，可支持更高的I/O密度，但随着凸点间距的持续缩小，焊接工艺的精度和可靠性面临挑战。

 

二、先进封装互连技术

 

2.5D封装和3D封装是当前芯片互联技术的重要方向。2.5D封装通过硅中介层实现多颗芯片的横向互连，中介层内嵌的硅通孔和重布线层提供了高密度的芯片间通信通道。3D封装则通过芯片的垂直堆叠和硅通孔实现层间互连，可显著缩短互连长度、降低延迟和功耗。

 

混合键合是近年来发展较快的高密度互连技术。与传统倒装焊依赖微凸块不同，混合键合实现芯片间铜-铜和氧化物-氧化物的直接连接，无需微凸块辅助。这一方法显著提高了互连密度——在2025年超大规模集成电路研讨会上，imec展示了间距250纳米的晶圆对晶圆混合键合，以及背面间距120纳米的介质通孔。混合键合在高带宽存储器和人工智能芯片制造中扮演着日益重要的角色。

 

嵌入式多芯片互连桥是另一类重要技术方案。英特尔提出的EMIB技术将硅通孔技术融入嵌入式多芯片互连桥，提升了芯片间连接的性能。

 

三、光互连与Chiplet架构

 

在更长距离的芯片间互连中，光互连正逐步取代电互连。光电共封装技术的核心逻辑是将光引擎与计算芯片封装于同一基板，将互连长度从传统的10至20厘米缩短至1至2厘米，从而减少信号衰减、降低传输延迟和功耗。

 

Chiplet架构将大型芯片拆分为多个功能独立的“小芯粒”，通过高速互连协议组合成一个集成芯片。通用芯粒互连标准UCIe在2025年8月发布了3.0规范，将互连带宽提升至64 GT/s。Chiplet互联接口电路仅在单个封装内实现多颗芯粒的互连，传输距离短，对互连的功耗和延迟提出了更高要求。

 

四、技术挑战

 

芯片互联技术的挑战主要集中在互连密度、功耗、热管理和信号完整性等维度。随着互连间距缩小至亚微米级别，制造工艺的精度控制和缺陷容忍度成为瓶颈。高密度互连带来的功耗密度上升也对散热设计提出了更高要求。光互连虽然带宽潜力大，但光源集成、调制效率和封装成本仍是制约因素。