多芯片封裝（Multi-Chip Packaging, MCP）技術(shù)通過在一個封裝中集成多個芯片或功能單元，實現(xiàn)了空間的優(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，成為未來高性能計算、人工智能、通信等領(lǐng)域的核心基礎(chǔ)。多芯片封裝技術(shù)已經(jīng)成為集成電路產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵方向之一。其優(yōu)勢在于提升性能、節(jié)省空間和支持多樣化應(yīng)用。然而，該技術(shù)仍面臨著基板制造、熱管理、電源傳輸?shù)榷喾矫娴奶魬?zhàn)。

一、什么是多芯片封裝？

多芯片封裝是一種將多個芯片（如邏輯芯片、存儲芯片、射頻芯片等）集成到一個封裝體中的技術(shù)。這種技術(shù)包括2.5D封裝（通過硅中介層連接）和3D封裝（垂直堆疊芯片），旨在實現(xiàn)更高的集成度和性能。

我們可以將多芯片封裝形象地比喻為搭建“微型城市”：每個芯片相當(dāng)于一個功能區(qū)域，通過“道路”（即互連結(jié)構(gòu)）連接，實現(xiàn)高效協(xié)作。這種設(shè)計理念不僅提高了芯片的集成密度，還使得不同功能的芯片能夠緊密配合，共同提升整體性能。

二、多芯片封裝有何優(yōu)勢？

提升性能

通過縮短芯片間的信號傳輸路徑，多芯片封裝能夠顯著降低延遲和功耗，從而提升整體性能。

節(jié)省空間

由于多個芯片被集成到一個封裝中，因此可以大大減小封裝體積，這對于移動設(shè)備和高密度服務(wù)器來說尤為重要。

模塊化設(shè)計

多芯片封裝技術(shù)便于不同功能芯片的靈活組合，降低了設(shè)計的復(fù)雜性，使得產(chǎn)品更具靈活性和可擴展性。

三、多芯片封裝技術(shù)關(guān)鍵

1.先進基板

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

然而，在這一領(lǐng)域，美國產(chǎn)業(yè)鏈相對落后于亞洲，特別是在精細間距重新布線層（RDL）技術(shù)上。為了彌補這一差距，美國正在實施HIR計劃，旨在到2030年實現(xiàn)0.5/0.5μm線寬/線距的突破。

2.互連技術(shù)

芯片間互連是多芯片封裝的核心挑戰(zhàn)之一。目前，主要有兩種主流的互連技術(shù)。

硅中介層（Interposer）

硅中介層能夠提供高密度互連，支持更大的帶寬，但制造成本相對較高。

有機基板

有機基板成本較低，但信號完整性和散熱性能略遜于硅中介層。

3.熱管理

隨著封裝功率密度的增加，熱管理成為多芯片封裝技術(shù)中亟待解決的問題。目前，200-400W的熱設(shè)計功耗（TDP）需要有效的散熱方案來應(yīng)對。

為了解決這一問題，業(yè)界正在引入先進的封裝內(nèi)熱導(dǎo)材料、集成熱界面材料（TIM）和液冷等技術(shù)。這些技術(shù)的應(yīng)用將顯著提高封裝的散熱性能，確保芯片在長時間高負荷運行下的穩(wěn)定性。

4.電源傳輸

高帶寬需求使得電源傳輸成為多芯片封裝中的一大瓶頸。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，因此需要尋找新的解決方案。

基于封裝內(nèi)電壓調(diào)節(jié)器（IVR）的技術(shù)應(yīng)運而生。該技術(shù)利用電感和開關(guān)電容實現(xiàn)高效電源傳輸，能夠滿足封裝內(nèi)高功率密度和高效率的需求。

四、多芯片封裝技術(shù)的技術(shù)難點

多芯片封裝的實現(xiàn)還面臨著諸多工藝挑戰(zhàn)，主要包括制造工藝、材料升級和可靠性等方面。

制造工藝

高精度制造工藝是多芯片封裝的關(guān)鍵。目前，業(yè)界正在致力于突破精細間距RDL制造技術(shù)，以實現(xiàn)更高的線寬/線距。同時，面板級封裝（PLP）技術(shù)也為大尺寸封裝提供了更高性價比的解決方案。

然而，這些制造工藝的突破需要巨大的投資和技術(shù)積累。目前，亞洲地區(qū)在這一領(lǐng)域具有較為明顯的優(yōu)勢，但全球范圍內(nèi)的合作與交流仍是推動技術(shù)進步的關(guān)鍵。

材料升級

多芯片封裝需要新型材料的支持。例如，中介層替代材料如高密度陶瓷基板，具備更高的熱導(dǎo)率和機械強度，能夠顯著提高封裝的性能。此外，封裝材料也需要支持更高的熱導(dǎo)率和更低的電阻，以滿足高功率密度的需求。

然而，新型材料的研發(fā)和應(yīng)用需要跨學(xué)科的合作與探索。材料科學(xué)家、工程師和制造商需要緊密合作，共同推動材料技術(shù)的升級與創(chuàng)新。

可靠性

堆疊芯片和細間距互連帶來的機械應(yīng)力、熱膨脹失配等問題，對封裝的長期可靠性提出了嚴峻挑戰(zhàn)。為了解決這些問題，業(yè)界正在致力于開發(fā)新的封裝結(jié)構(gòu)和材料，以提高封裝的機械強度和熱穩(wěn)定性。

同時，對封裝進行嚴格的可靠性測試和驗證也是必不可少的。通過模擬實際使用場景和極端條件，對封裝進行長期的性能測試和可靠性評估，可以及時發(fā)現(xiàn)并解決潛在問題，確保封裝的穩(wěn)定性和可靠性。

五、多芯片封裝技術(shù)發(fā)展

小芯片（Chiplet）和異構(gòu)集成

小芯片技術(shù)將不同工藝節(jié)點、功能模塊芯片進行集成。相比傳統(tǒng)的單片設(shè)計，小芯片提供了更高的靈活性和性能。通過異構(gòu)集成，可以將不同功能和特性的芯片組合在一起，實現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)處理和傳輸。

例如，高帶寬存儲（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。通過小芯片和異構(gòu)集成技術(shù)，可以將多個HBM3芯片集成到一個封裝中，實現(xiàn)更高的存儲帶寬和更低的延遲。

2.5D與3D封裝的擴展

2.5D封裝技術(shù)將繼續(xù)擴展，通過改進EMIB（Embedded Multi-die Interconnect Bridge）等技術(shù)，提高帶寬密度并降低成本。同時，3D封裝技術(shù)也將得到進一步發(fā)展，通過垂直堆疊實現(xiàn)更高的性能密度。

然而，3D封裝技術(shù)面臨著更大的挑戰(zhàn)，如熱管理和制造精度等。為了克服這些挑戰(zhàn)，業(yè)界正在致力于開發(fā)新的散熱技術(shù)和制造工藝，以確保3D封裝的穩(wěn)定性和可靠性。

高密度基板技術(shù)

未來，高密度基板技術(shù)將得到進一步發(fā)展。通過改進有機基板和面板級基板的性能，將其線寬/線距提高到1/1μm以下，可以實現(xiàn)更低的電阻和更高的傳輸速度。這將為高性能計算和通信等領(lǐng)域提供更強大的支持。

電源集成

封裝內(nèi)電源集成技術(shù)將進一步優(yōu)化。通過局部電壓調(diào)節(jié)器和高效電源傳輸組件的應(yīng)用，可以支持高功率應(yīng)用并降低功耗。這將為數(shù)據(jù)中心、高性能計算等領(lǐng)域提供更高效的能源解決方案。