核心要點：
為滿足 AI 工作負載對頻寬的需求，製造商正轉向 2.5D 和 3D 封裝架構以提升互連密度。
2.5D 中介層作為無源器件，雖規避了部分 3D 封裝的可靠性挑戰，但仍面臨熱機械失效風險——各層材料的熱膨脹係數各不相同。
互連密度的提升也使電遷移風險管理愈發重要。銅再分布層的微觀結構會直接影響電遷移發生的概率。
隨著電晶體橫向縮放難度不斷加大，製造商開始轉向 CFET 等垂直電晶體設計及垂直封裝方案，以提高器件密度。與此同時，AI 工作負載對超大頻寬的需求也在推動晶片間互連密度持續攀升。
然而，器件封裝的根本目標始終未變——保護晶片免受損傷，並將晶片上微米級焊盤與其他晶片及電路板上毫米級特徵結構相連接。
目前，混合鍵合技術實現了晶片間最高的互連密度。所謂 3D 封裝，即採用混合鍵合將晶片垂直堆疊，在最小占用面積內實現最高電路密度。矽通孔（TSV）負責將信號傳輸至每顆晶片底部，以連接堆疊中的下一顆晶片或底層封裝基板。
3D 封裝要求各組成晶片高度集成，精度需達到一顆晶片上銅凸點與另一顆晶片焊盤之間的對準級別。此外，3D 封裝還面臨嚴峻的測試與可靠性挑戰。散熱尤為困難，因為堆疊晶片的表面積增長速度遠低於有源器件體積的增長速度。TSV 在工作時會因熱量而膨脹，產生應力，可能引發裂紋和分層。由於堆疊中每一層都包含有源器件，熱流與信號路徑之間的相互影響難以預測。
相比之下，2.5D 封裝提供了一種更為靈活的方案。在這類封裝中，晶片被放置在中介層上，由中介層將各晶片焊盤上的信號重新分布至其他晶片或封裝基板。中介層是無源器件，包含布線以及可能的電容和電阻，但不含電晶體或其他開關元件。與有源電路相比，中介層的建模和製造均更為簡單，從而規避了部分 3D 封裝的可靠性問題。
理論上，2.5D 封裝中的各組成晶片相互獨立。若某顆晶片的焊盤布局發生變化，只需修改中介層設計，而無需更改其他晶片的設計。從概念上看，中介層的功能類似於一塊布線極為密集的電路板。
複雜結構，複雜熱行為
然而，2.5D 封裝仍需解決散熱、提供機械支撐等問題。某顆晶片的變化可能同時影響封裝的熱流和熱機械行為。首爾國立大學金學俊（Hakjun Kim）及其團隊的研究發現，熱機械失效是 2.5D 封裝最具挑戰性的可靠性問題。由於各材料的熱膨脹係數（CTE）不同，製造過程中的溫度變化和工作時的電阻加熱會導致各材料以不同速率膨脹和收縮。
在 2.5D 封裝中，晶片通常為帶銅互連的矽材料，熱膨脹係數較低；而封裝基板、塑封料和底部填充料通常為有機材料，熱膨脹係數較高。2.5D 封裝涵蓋種類繁多的方案，中介層可能集成光子器件、微流體冷卻等功能，矽和聚醯亞胺是最常見的兩種中介層材料，均內嵌銅線。
對於僅含單顆晶片的簡單封裝，建模製造過程中的膨脹與收縮相對直接——回流焊爐等工藝會對整個封裝同步加熱和冷卻。但在工作狀態下，熱流取決於晶片內部的信號路徑和工作流程，晶片內部的溫度梯度與各層間的熱膨脹係數差異共同導致複雜的應力分布。
對於含多顆晶片的封裝，製造應力和工作應力的建模難度更大。例如，兩顆相鄰晶片可能對下方的中介層和基板產生相反方向的應力，使應力場呈現鞍形或其他複雜形態，而非簡單的上凸或下凹翹曲。金學俊指出，對封裝某一區域進行加固可能會加劇其他區域的應力。例如，若晶片和中介層的膨脹量大於基板，產生的拉伸應力會導致基板翹曲，嚴重翹曲可能造成焊點拉長甚至失效。然而，加固基板以防止翹曲並不能消除應力，只是將其轉移至封裝的其他部位——中介層與基板之間的鍵合可能失效，或再分布層發生分層。
華南理工大學羅明生（Ming-Sheng Luo）及其團隊針對一種含兩顆相鄰晶片和三層再分布互連的簡單 2.5D 封裝建立了有限元模型，發現晶片間隙區域以及中介層與塑封料的連接處是特別容易發生失效的區域。對於尺寸較大的封裝，他們建議添加啞元晶片（即裸矽片）以幫助平衡封裝內部的應力。
羅明生還指出，根據系統所處環境的不同，封裝材料的吸濕膨脹效應也可能不容忽視——不同材料因吸濕率不同而產生不同程度的膨脹，且材料的吸濕行為未必與其熱行為一致。
電遷移管理
電遷移是封裝失效的另一主要原因，歷史上對邏輯和儲存器件而言並非主要關注點。但電遷移效應與電流密度密切相關，隨著封裝內電流密度的升高，電遷移風險也隨之增加。台灣陽明交通大學林義全（Yi-Quan Lin）及其團隊通過改變銅電鍍化學配方，製備出具有納米晶或納米孿晶晶粒結構的銅線。
通過調控晶體結構來控制電遷移，對電路電阻的影響小於摻雜或合金化元素，且工藝複雜度低於溝槽襯墊等方案。林義全的研究發現，納米晶銅實際上降低了抗電遷移性能，原因可能在於晶界促進了擴散。而納米孿晶銅，尤其是經退火處理後，具有強烈的（111）織構和高比例的共格孿晶界，這種結構有效抑制了晶界處的氧化物形成和空洞生成。日月光集團（ASE Group）的類似研究則通過原位觀察去封裝後的再分布層結構來研究電遷移行為，結果表明，細晶粒銅線的壽命約為粗晶粒銅線的七倍。
面向未來的建模
圖1：含三顆芯粒和八層矽中介層的 2.5D 封裝示意圖。
2.5D 封裝的高度複雜性，加之單個焊盤與整體封裝之間的尺度跨越，使預測性建模面臨極大挑戰。對單個區域進行有限元分析並不困難，但需要考量的區域數量龐大，計算量難以承受。研究人員正著手開發深度學習代理模型，以減少對有限元分析的依賴。初步結果表明，這一方法有望為翹曲及其他非線性行為的可擴展建模提供可行路徑。
Q&A
Q1：2.5D 封裝中的中介層主要起什麼作用？
A：中介層是 2.5D 封裝中的無源器件，負責將各晶片焊盤上的信號重新分布至其他晶片或封裝基板，功能類似於布線極為密集的電路板。它只包含布線、電容和電阻，不含電晶體，因此比有源電路更易建模和製造，也規避了部分 3D 封裝的可靠性問題。
Q2：2.5D 封裝為什麼容易出現熱機械失效？
A：2.5D 封裝中各層材料的熱膨脹係數不同，矽晶片和銅互連的熱膨脹係數較低，而有機基板、塑封料和底部填充料的熱膨脹係數較高。溫度變化會導致各材料以不同速率膨脹和收縮，產生複雜應力。多晶片封裝中，相鄰晶片還可能對中介層產生相反方向的應力，導致翹曲、焊點失效或再分布層分層。
Q3：納米孿晶銅為什麼能提升再分布層的抗電遷移性能？
A：納米孿晶銅經退火處理後，具有強烈的（111）織構和高比例的共格孿晶界，這種微觀結構能有效抑制晶界處的氧化物形成和空洞生成，從而提升抗電遷移性能。相關研究還表明，細晶粒銅線的電遷移壽命約為粗晶粒銅線的七倍，且調控晶體結構對電路電阻的影響較小，工藝複雜度也低於其他方案。
