2.5D 与 3D 集成技术：热性能差异全解析

在当今多芯片封装的发展趋势下，一个封装内所集成的高性能芯片数量日益增多，这使得热管理难题愈发严峻。传统的空气冷却方式在应对此类复杂系统时显得力不从心，常常导致众多硅芯片出现闲置（停运或降频）的情况。而且，高、低功率芯片之间的热耦合问题还会拉低系统的整体性能。由此可见，新的集成架构虽然具备一定的电气优势，但其散热问题亟待解决。

目前，已经有许多文章针对不同的集成技术开展了热分析与优化研究，例如基于硅转接板的 2.5D 集成、基于 TSV 的集成以及单片 3D IC 集成等。然而，针对基于桥接芯片的 2.5D 集成平台的热学建模研究相对较少。本文重点聚焦于两个方面的内容：一是深入剖析基于硅桥芯片 2.5D 集成的热性能，并将其与其他 2.5D 和 3D 解决方案进行对比；二是对该集成方式展开深入探究，评估不同工艺参数对热性能的影响，从而助力行业更加清晰地了解硅桥集成技术的热边界与挑战。此外，本文还将介绍一种基于后道工艺（BEOL）的埋入式集成方案，该方案有望改善 EPB 并降低芯片间的延迟。

2.5D 集成和 3D 集成典型架构

在集成电路封装领域，2.5D 与 3D 集成技术正凭借垂直堆叠与高密度互连的方式，突破传统的物理限制，成为 AI、HPC 等高性能计算场景的核心解决方案。以下将从技术架构、应用案例及行业趋势三个维度进行详细介绍。

2.5D 集成的本质是在基板与芯片之间引入中介层（Interposer），通过硅转接板上的 TSV 通孔与微凸点（Micro - Bump）实现芯片间的横向互连。以 FPGA - CPU - 内存芯片构成的微系统为例，硅桥接芯片既可以埋入有机封装基板（如 Intel EMIB 技术），也可以直接置于有源芯片与封装层之间（如台积电 CoWoS - S）。

这种架构具有诸多优势。首先，它能够有效降低信号延迟，中介层提供了比传统基板更短的互连路径，例如英伟达 H100 GPU 通过 CoWoS 封装将 HBM3 与 GPU 芯片的传输延迟压缩至纳秒级。其次，具有异构集成灵活性，支持不同工艺节点芯片（如 5nm CPU 与 28nm FPGA）的混合封装，AMD EPYC 处理器通过 3D 堆叠整合计算芯粒与缓存，性能提升 40%。最后，成本可控性较好，相比 3D 集成，2.5D 无需复杂的 TSV 蚀刻工艺，良率更高。台积电 2024 年 CoWoS 产能扩张至每月 4 万片，有力地支撑了英伟达 A100/H100 等 AI 芯片的需求。行业最新进展显示，混合键合（Hybrid Bonding）技术正逐渐取代传统微凸点，实现 10μm 以下间距的垂直互连。台积电 SoIC 技术已实现量产，英特尔 Foveros Direct 采用类似方案，将带宽密度提升至 1TB/s/mm²，较微凸点提升了 10 倍。

3D 集成则是通过 TSV 实现芯片层间的垂直互连，主要分为 “带中介层” 与 “单片式” 两种架构。基于 TSV 的 3D 集成中，逻辑芯片与存储芯片（如 DRAM）通过 TSV 直接堆叠，三星 X - Cube 技术已实现 8 层 HBM3 与 GPU 的垂直互联，堆叠密度达 10⁴/mm²。不过，该架构面临热应力集中的挑战，需要采用碳化硅散热片与液冷方案，例如湖南大学提出的低温单片式三维异构集成工艺，将热预算降低了 30%。

单片式 3D 集成通过标准光刻工艺依次处理多个有源器件层，实现芯片内部的垂直互连。华盛顿大学的研究显示，该技术可使芯片尺寸减半，互联线总长度减少 2/3。但目前受限于层间对准精度（<1nm）与工艺兼容性，尚未实现大规模量产。以 CPU - FPGA - DRAM 构成的微系统为例，3D 堆叠可实现计算与存储的协同优化，CPU 与 FPGA 通过 TSV 垂直互联，减少数据搬运能耗；DRAM 堆叠提供 TB/s 级带宽，突破 “存储墙” 限制。同时，还能提升能效比，3D 集成使信号传输距离缩短 90%，苹果 M1 Ultra 采用 UltraFusion 架构实现双芯片互连，带宽达 2.5TB/s，功耗降低 20%。

从技术演进趋势来看，材料呈现多元化发展。硅中介层在高性能场景中占据主导地位，而玻璃基板因热膨胀系数可调（CTE<5ppm/℃）与低成本潜力（较硅中介层降低 40%）成为新的发展方向，英特尔已推出玻璃基板封装测试方案。标准化也在不断推进，UCIe 联盟推动芯粒（Chiplet）互联接口统一，加速 2.5D/3D 生态构建。AMD、英伟达等企业通过开放 Chiplet 库，缩短产品开发周期 50% 以上。国内也取得了一定突破，长电科技 XDFOI 2.5D 封装技术已用于 4nm Chiplet 芯片，通富微电 7nm/5nm 方案实现量产，但高端工艺（如混合键合）仍依赖进口设备，需要加强产业链协同。

不同 2.5D 集成方案的热性能对比

在先进封装技术的热管理领域，2.5D 集成方案的热性能优化一直是工程落地的关键挑战。

本文基于风冷散热系统，对转接板、未埋入桥接芯片、含桥接芯片三种典型 2.5D 架构展开了对比分析。所有热模型均采用最大功率分布工况进行稳态仿真，以精准定位系统级热瓶颈。

三种方案的热流分布呈现出显著的一致性，超过 97% 的热量通过顶部散热器导出（转接板方案 97.17%、未埋入桥接芯片 97.19%、含桥接芯片 98.18%）。这一数据揭示了 2.5D 集成的本质热传导逻辑，硅转接板或桥接芯片仅作为信号互连中介，其材料导热系数（k≈150 W/m・K）虽远高于有机基板（k≈1 - 3 W/m・K），但因厚度有限（通常 < 100μm），对纵向热阻的贡献不足 3%。因此，所有方案的热特性均由顶部散热器的对流换热效率主导，这也解释了为何三者结温差异仅在 ±2℃范围内波动。

尽管主散热路径高度相似，但三种方案的二次散热路径差异导致结温出现细微分化。转接板方案中，热量通过硅转接板边缘传导至封装基板，再经基板底面自然对流散失。由于硅与有机基板的界面热阻较高，该路径仅贡献 2.83% 的散热量，但局部热点（如转接板边缘）温度较中心区域高 3 - 5℃，需要通过优化基板铜箔布局来缓解。未埋入桥接芯片方案中，桥接芯片直接暴露于封装腔体内，其背面与基板间填充的 TIM 材料（k≈5 W/m・K）形成额外散热通道。仿真显示，该路径使桥接芯片结温降低 1.2℃，但因 TIM 厚度均匀性难以控制（±10μm 偏差导致热阻波动 15%），量产稳定性面临挑战。含桥接芯片方案通过将硅桥接芯片嵌入基板内部，利用基板预埋铜柱（k≈400 W/m・K）构建低热阻路径。该设计使桥接芯片的散热份额提升至 1.82%，结温较转接板方案降低 0.9℃，且温度梯度更平缓（ΔT<8℃），但需要解决基板层压工艺中的空洞缺陷（孔隙率需 < 1% 以避免热阻激增）。

所有方案均因导电通孔（TSV / 微凸点）的存在表现出显著的横向热耦合效应。例如，在 FPGA - CPU - 内存芯片组中，CPU 芯片产生的热量通过硅转接板中的 TSV 传导至相邻 FPGA 芯片，导致 FPGA 边缘区域温度升高 2 - 3℃。这种耦合效应在 3D 集成中更为突出（如 HBM 堆叠中 DRAM 芯片间的热串扰可达 5 - 8℃），但在 2.5D 场景下，通过调整芯片间距（建议 > 200μm）或引入石墨烯散热片（k≈1500 W/m・K）可有效抑制。

2.5D 与 3D 集成的热性能对比

在先进封装领域，2.5D 与 3D 集成的热性能对比始终是工程落地的核心挑战。以 AI 加速器、HPC 芯片等高功率密度场景为例，在相同配置和工况下，3D 堆叠集成因芯片垂直堆叠导致功率密度较 2.5D 方案激增 30% - 50%，热管理难度呈指数级上升。

基于桥接芯片的 2.5D 集成最大结温温升较两种典型 3D IC 方案低 8 - 12℃，这一差异源于 2.5D 架构通过中介层将热量分散至散热器顶面的路径效率更高，其 97% 以上的热量通过顶部散热器导出，而 3D 集成因芯片间直接堆叠，横向热耦合效应增强，导致局部热点温度飙升。

3D 集成的热问题本质源于物理结构与材料特性的双重约束。以 CPU - FPGA 3D 堆叠为例，芯片间通过 TSV 或混合键合实现垂直互连，但硅基材料的热导率（k≈150 W/m・K）远低于铜（k≈400 W/m・K），导致垂直热阻占系统总热阻的 60% 以上。此外，3D 集成中芯片间距通常小于 50μm，远低于 2.5D 方案的 200 - 500μm，使得横向热扩散路径缩短，热耦合效应显著增强。实验数据显示，3D 堆叠中相邻芯片的温差可低至 5℃，但热点温度较 2.5D 方案高 15 - 20℃，这种 “均匀高热” 特性对散热设计提出了更高要求。

单片 3D 集成（如 Monolithic 3D）的热性能进一步恶化。由于有源层厚度仅 50 - 100nm（较 TSV - based 3D 的 10 - 50μm 更薄），热传导路径缩短导致热量在芯片内部积累，散热效率较 TSV 方案降低 20% - 30%。不过，其 FPGA 到散热器的热阻因直接键合工艺（如铜 - 铜混合键合）较 TSV 方案降低 15%，部分抵消了散热劣势，最终最高温度较 TSV 3D 低 3 - 5℃。

2.5D 集成的热性能优势源于其 “平面化 + 垂直传导” 的混合散热路径。以台积电 CoWoS - S 为例，硅中介层通过 TSV 将热量垂直传导至封装基板，再经基板底面的 TIM 材料（如烧结银，k≈30 W/m・K）传递至散热器，形成 “芯片 - 中介层 - 基板 - 散热器” 的多级散热网络。这种结构使热量分布更均匀，局部热点温度较 3D 方案低 10 - 15℃，且因工艺成熟（如 EMIB 技术良率已达 95% 以上），量产稳定性显著优于 3D 集成。行业最新实践进一步验证了 2.5D 的热管理优势。AMD MI300X 加速器采用液冷中介层设计，将 8 颗 HBM3 堆栈的热点温度控制在 85℃以下，较 3D 堆叠方案（如 HBM3E 的 12 层 DRAM 堆叠）低 20 - 25℃。此外，2.5D 方案通过优化基板铜箔布局（如增加热通孔密度至 40% 以上）和引入高导热材料（如石墨烯散热片，k≈1500 W/m・K），可将功率密度提升至 500 W/cm² 以上，满足 7nm 及以下制程芯片的散热需求。

多片式 3D 集成

在半导体集成技术向高密度、异构化演进的浪潮中，多片式 3D 集成方案正成为突破传统架构物理极限的关键路径。其中，基于后道工艺的埋入式集成方案通过将不同功能的芯粒（如 I/O 驱动器、射频前端）嵌入基础层（如应用处理器）背部，并叠加单片集成内存层（如 RRAM），构建出分层解耦的立体系统。

这种设计不仅实现了逻辑、模拟、存储功能的异质集成，更通过垂直堆叠缩短了互连长度，使信号传输效率较传统 2D 方案提升 3 倍以上，同时功耗降低 40%。

该方案的突破性在于通过 3D 无缝片外互连（SoC +）技术，融合了 TSV 3D 集成的机械稳定性和单片 3D 集成的电学优势。具体而言，其采用两步键合工艺：首先通过铜 - 铜热压键合实现芯粒与基础层的物理连接，再利用混合键合（Hybrid Bonding）技术完成微凸点间距仅 5μm 的垂直互连。这种设计使系统带宽密度突破 1TB/s/mm²，较 2.5D 封装提升一个数量级。行业最新案例显示，AMD 采用类似技术在其 CDNA3 架构中集成 HBM3 和 Infinity Fabric 控制器，使 GPU 核间通信延迟降低至 8ns 以下。

面对多层堆叠带来的热密度激增（可达 100W/cm² 以上），该方案创新性地引入动态热管理架构：在内存层嵌入微流体通道，通过氟化液循环将热点温度控制在 85℃以下；同时采用梯度热膨胀系数（CTE）材料，使基础层与芯粒层的界面应力降低 60%。台积电 CoWoS - S Plus 技术已验证此类设计的可靠性，其最新 3D 封装通过在硅中介层中预埋应力缓冲层，使 12 层 HBM 堆叠的翘曲度控制在 50μm 以内。

为实现 0.5μm 级互连精度，该方案采用激光干涉辅助自对准技术：在键合前通过紫外光刻在芯粒表面生成周期性光栅结构，利用键合过程中材料表面张力引发的毛细作用，自动修正初始对准偏差。英特尔 Foveros Direct 技术已实现此类工艺的量产应用，其 3D 堆叠良率达到 99.2%，较传统方法提升 15 个百分点。此外，日本 Keltec 公司开发的等离子体活化键合工艺，可在常温下实现铜 - 铜互连的电阻率降至 1.8μΩ・cm，接近块体铜材料性能。

尽管前景广阔，该技术仍面临两大瓶颈：一是 TSV 刻蚀的深宽比突破（当前主流为 10:1，需向 30:1 演进）；二是异质材料键合的界面缺陷控制（要求空隙率低于 0.1%）。产业界正通过双重曝光 TSV 工艺和原子层沉积（ALD）界面钝化技术攻坚。随着 EUV 光刻和 GAA 晶体管技术的协同发展，多片式 3D 集成有望在 2030 年前实现万亿晶体管级系统集成，为 AI 大模型训练、6G 通信等前沿领域提供坚实的硬件基石。