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除了先进的工艺，先进的封装已经成为延续摩尔定律的关键技术，2.5D、3D、Chipplets等技术成为近年来半导体行业的热门话题。先进封装究竟如何在摩尔定律的延续中发挥关键作用？2.5D、3D和Chipplet等封装技术有哪些特点？
人工智能（AI）、车联网、5G等应用纷至沓来，而且都必须采用高速计算、高速传输、低时延、低能耗的先进功能芯片;
芯片小型化变得更加困难，异构集成诞生
也就是说，先进的半导体工艺已经向7纳米、5纳米迈进，然后开始向3纳米和2纳米迈进，因此晶体的尺寸接近原子的物理体积极限，电子和物理的限制也使得先进的工艺的连续微化和升级越来越困难。
因此，除了先进工艺的不断发展外，半导体行业还"山不转"，寻找其他方法，在保持芯片小尺寸、保持高效率的同时，对芯片进行布局设计，进而成为延续摩尔定律的新解决方案，异构集成（异构设计架构系统， HIDAS）概念应运而生，并成为IC芯片的创新动能。
所谓异构集成，广义上来说，就是两种不同芯片的集成，如存储器和逻辑芯片、光电和电子元器件，通过封装、3D堆叠等技术。换句话说，两个不同工艺和不同性质的芯片的集成可以称为异构集成。
由于应用市场更加多样化，每种产品的成本、性能、目标人群不同，因此所需的异构集成技术不尽相同，市场差异化的趋势正在显现。为此，IC代工、制造和半导体设备行业纷纷投入异构集成开发，2.5D、3D封装、Chiplets等流行的封装技术，是建立在异构集成理念之上，如雨后春笋般涌现。
2.5D封装有效降低芯片生产成本
过去，芯片大多使用系统级封装，SiP技术（如封装中封装，封装中封装等）进行集成。然而，随着智能手机、AIoT等应用，不仅需要更高的性能，还要保持小体积、低功耗，在这种情况下，我们必须找到一种方法，堆积更多的芯片来使体积缩小，因此，目前的封装技术除了原来的SiP外，还朝着立体封装技术发展。
综上所述，立体封装意味着直接由硅晶圆制成的"硅转接板"，而不是过去由塑料制成的"导线载体"，将几个具有不同功能的芯片直接封装成一个效率更高的芯片。换句话说，就是芯片堆叠得高的方式，硅芯片不断叠加在硅的上面，提高了工艺成本和物理限制，使摩尔定律得以继续实施。
立体包装更广为人知的是2.5D和3D包装，它从2.5D包装开始。所谓2.5D封装的主要概念是将处理器、存储器或其他芯片并排放置在硅州际板上，首先通过微凸块连接，让硅中间板内部的导线连接不同芯片的电子信号，然后通过硅穿孔（TSV）连接下面的金属凸块，然后通过导线载板连接外部金属球，实现芯片。芯片和封装基板之间的互连更紧密。
2.5D和3D封装是流行的立体包装技术。（来源：ANSYS）
目前众所周知的2.5D封装技术无非是台积电的CoWoS。CoWoS技术理念，只需将半导体芯片（如处理器、存储器等）放在硅中间层上，然后通过晶圆（CoW）封装工艺上的芯片连接到底层基板。也就是说，芯片通过晶圆芯片（CoW）封装工艺连接到硅晶圆，然后将CoW芯片连接到基板上并集成到CoWoS中，这使得多个芯片可以封装在一起并通过Si转接板连接，以达到封装体积小，功耗低，引脚少的效果。
台积电CoWos包装技术理念。（资料来源：台积电）
除CoWos外，扇出晶圆级封装也可以归类为2.5D封装的一种方式。扇出晶圆级封装技术的原理是从半导体裸晶的端点将所需的电路拉出到再分配层以形成封装。因此无负载板，无导线，凸块，生产成本降低30%，芯片更薄。同时，芯片面积减少很多，也可以取代成本较高的直通硅晶体穿孔，通过封装技术实现集成不同元件功能的目标。
当然，立体包装技术不仅是2.5D，还有3D包装。那么两者之间有什么区别，3D封装正在被半导体厂商采用呢？
与2.5D封装相比，3D封装基于在芯片上形成晶体（CMOS）结构的原理，并直接使用硅穿孔上下连接不同芯片的电子信号，以在其上垂直堆叠存储器或其他芯片。这种封装最大的技术挑战是，直接在芯片内制造硅穿孔极其困难，但随着高性能计算、人工智能等应用的兴起，再加上TSV技术的日益成熟，可以看到越来越多的CPU、GPU和存储器开始使用3D封装。
3D封装是芯片的直接堆叠。（来源：英特尔）
台积电和英特尔正在积极开发3D封装技术
英特尔和台积电各自在3D封装中拥有自己的技术。英特尔使用"Foveros"3D 封装技术，该技术使用异构堆叠逻辑处理操作将单个逻辑芯片堆叠在一起。换句话说，芯片堆叠首次从传统的无源硅中间层和堆叠存储器扩展到高性能逻辑产品，如CPU、图纸和AI处理器。以前仅用于内存的堆叠，异构堆叠现在仅用于内存，异构堆叠现在用于允许内存和计算芯片以不同的组合堆叠。
此外，英特尔还开发了三种新技术：Co-EMIB、ODI 和 MDIO。Co-EMIB连接更高的计算性能和功能，互连两个或多个Fouros组件，设计人员可以连接具有非常高带宽和极低功耗的模拟器、存储器和其他模块。ODI技术为封装中小芯片之间的全方位互连通信提供了更大的灵活性。顶部芯片可以与其他小型芯片（如EMIB技术）通信，并且与Switchos技术一样，通过硅通孔（TSV）与下面的底部裸芯片垂直通信。
英特尔 Flyos 技术概念。（来源：英特尔）
该技术还使用大型垂直通孔直接从封装基板上为顶部裸片供电，该基板比传统的硅通孔大得多，并且具有更低的电阻，从而提供更稳定的功率传输，以及更高的带宽和更低的堆叠延迟。这种方法减少了衬底芯片中所需的硅通孔数量，为有源元件释放了更多面积，并优化了裸片的尺寸。
另一方面，台积电提出3D多芯片和系统集成芯片（SOIC）的集成。这种系统集成芯片解决方案直接堆叠不同尺寸、工艺技术和已知良好的裸晶体。
台积电提到，该系统集成的芯片密度和速度是使用microbuggs的传统3D构建模块的几倍，同时显着降低了功耗。此外，系统集成芯片是一种先验过程集成解决方案，在封装前连接两个或多个裸晶，因此系统整合芯片组可以利用公司的InFO或CoWoS后端先进封装技术进一步集成其他芯片，以创建强大的"3D×3D"系统级解决方案。
台积电还推出了3DFabric，它结合了快速增长的3DIC系统集成解决方案，通过坚实的芯片互连提供更大的灵活性并创建强大的系统。3DFabric 具有不同的前芯片堆叠和后段封装选项，可帮助客户将多个逻辑芯片连接在一起，甚至与高频宽存储器 （HBM） 或异构小型芯片（如类比、输入/输出和射频模块）串联。3DFabric 结合了后置 3D 和前置 3D 技术的解决方案，并补充了晶体微型影院，以不断提高系统性能和功能，减小尺寸并加快上市时间。
在引入2.5D和3D之后，Chipplets也是当今半导体行业最受欢迎的先进封装技术之一;
除了2.5D和3D封装外，Chiplets还是最受关注的技术之一。随着电子终端产品高集成度的趋势不断增加，对高性能芯片的需求不断增加，但随着摩尔定律逐渐放缓，在不断提高产品性能的过程中，如果为了集成新的功能芯片组而增加芯片面积，将面临成本高、良率低的问题。因此，Chiplets已成为半导体行业因摩尔定律而面临的瓶颈的技术替代品。
小芯片，就像拼图一样，将小芯片变成大芯片
Chiplets的概念起源于20世纪70年代多芯片模块诞生时，其原理大致是它由一个由几个同质、异构等小芯片组成的大芯片组成，即最初设计在同一SoC中的芯片，它们被分离成许多不同的小芯片，然后封装或组装， 所以分拆芯片被称为芯片Chiplets。
由于先进工艺成本的迅速上升，与soC设计不同，大尺寸多核设计分散在更小的芯片上，以满足当今高性能计算处理器的需求，而灵活的设计方法不仅增加了灵活性，而且具有更好的良率和成本节约，并缩短了芯片设计时间，加快了芯片上市时间。
使用Chipplet有三个主要好处。由于先进的处理成本非常高，特别是模拟电路、I/O等越来越难以随着工艺技术而缩小，而Chipplets就是将电路拆分成独立的小芯片，并逐个增强功能、工艺技术和尺寸，最后集成起来克服工艺难的微挑战。此外，基于Chipplets的芯片可用于降低开发和验证成本。
许多半导体制造商现在正在使用Chipplets来推出高性能产品。例如，英特尔的英特尔 Stratix 10 GX 10M FPGA 采用 Chipplets 设计，可实现更高的组件密度和容量。emIB 技术以现有的英特尔 Stratix 10 FPGA 架构和英特尔先进的嵌入式多芯片互连桥接 （EMIB） 技术为基础，将两个高密度英特尔 Stratix 10 GX FPGA 核心逻辑芯片与相应的 I/O 单元相结合。AMD的第二代EPYC系列处理器也是如此。与第一代将内存与I / O结合到14nm CPU中的Chipplet方法不同，第二代方法是将I / O与内存作为芯片相结合，并将7nm CPU切割成八个Chipplet。
总而言之，过去，芯片效率取决于半导体工艺的改进和提高，但随着元件尺寸越来越接近物理极限，芯片小型化越来越困难，要保持小批量、高效的芯片设计，半导体行业不仅要不断开发先进的工艺，还要向芯片架构进行改进， 使芯片从原来的单层，到多层堆叠。正因为如此，先进封装已成为改进摩尔定律的关键推动因素之一，引领半导体行业的发展。