1為什么需要3D封裝

隨著數(shù)字時(shí)代流量的爆炸式增長(zhǎng)，光纖通信成為高速信息傳輸?shù)年P(guān)鍵。光纖通信就像高速公路系統(tǒng)，光模塊是公路上的貨車(chē)，信息是貨車(chē)上的貨物。貨車(chē)（即光模塊）需要不斷升級(jí)才能跑得更快、更穩(wěn)，更有效傳輸“信息”貨物。

光模塊升級(jí)有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

一是速度要快，就像貨車(chē)要換上更大馬力的引擎。目前光網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率正從100G/200G向更高速的400G/800G快速發(fā)展。

二是體積要小且性能優(yōu)，這就好比貨車(chē)的設(shè)計(jì)要更緊湊、更小巧，但是耗油量等性能需要更優(yōu)。

由于光模塊的空間有限，就像貨車(chē)內(nèi)部空間有限一樣，需要將更多的功能集成到更小的空間里。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，3D封裝（Three-dimension Packaging，三維封裝技術(shù)）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

這就好比是在貨車(chē)內(nèi)部進(jìn)行巧妙的設(shè)計(jì)和布局，讓所有的零部件都能恰到好處地放置在合適的位置上，而且能保證貨車(chē)裝載容量大且油耗小等優(yōu)點(diǎn)。

3D封裝技術(shù)引入到光模塊中，能讓光模塊保持小巧身形，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，穩(wěn)定發(fā)揮高性能，輕松順應(yīng)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

2什么是3D封裝

3D封裝是一種芯片封裝技術(shù)，廣泛用于電子信息行業(yè)各類(lèi)芯片制造領(lǐng)域，本文聚焦光模塊領(lǐng)域。芯片是實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備核心功能的基礎(chǔ)單元。

所謂封裝就是用“保護(hù)盒”，密封組成復(fù)雜功能的多塊芯片，保護(hù)芯片不受外界環(huán)境的影響。

3D封裝指在封裝（即“保護(hù)盒”）內(nèi)，通過(guò)將多塊芯片在垂直方向上疊放并互連，多塊芯片疊放成三維結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)更高的集成度和更短的互聯(lián)距離的封裝技術(shù)。

在光模塊領(lǐng)域中，3D封裝指在封裝（即“保護(hù)盒”）內(nèi)，將組成光模塊的各種芯片在垂直方向疊放兩個(gè)及其以上芯片，從而使光模塊具有更小體積、更優(yōu)性能的技術(shù)。

33D封裝是如何工作的

典型的3D封裝光模塊過(guò)程是將電芯片、光芯片垂直疊放在基板上，兩者間采用TSV（Through Silicon Via，硅通孔）互聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信，如下圖所示。

這個(gè)過(guò)程好比建設(shè)摩天大樓，房間（即芯片）是在地面（即基板）一層層垂直建設(shè)在一起的。

基板是光芯片和電芯片的電氣連接平臺(tái)。基板通常由一塊或多塊導(dǎo)電層組成，導(dǎo)電層被沉積在基板的襯底材料（如硅、陶瓷或玻璃）上。

所有疊放在一起的芯片被整合到一塊基板上，由基板上的導(dǎo)電層實(shí)現(xiàn)芯片與外部電路的電氣互聯(lián)。微焊球?qū)崿F(xiàn)芯片間電氣連接。焊球?qū)崿F(xiàn)基板與封裝體外部器件電氣連接。

多層疊放的芯片之間還需要互聯(lián)，才能實(shí)現(xiàn)彼此之間的高速通信。常見(jiàn)的互聯(lián)技術(shù)如TSV，通過(guò)在芯片上制造垂直通孔，并填充銅或鎢等導(dǎo)電材料實(shí)現(xiàn)芯片間的垂直通信，如下圖所示。

好比在摩天大樓布放電線(xiàn)過(guò)程，不同樓層之間先穿孔、再鋪設(shè)布線(xiàn)管、最后布放電線(xiàn)實(shí)現(xiàn)樓層間通電。

通過(guò)TSV技術(shù)，可縮短芯片之間連線(xiàn)長(zhǎng)度至芯片厚度，有效減少信號(hào)傳輸延遲和損失，提高信號(hào)速度和帶寬，以此實(shí)現(xiàn)光通信模塊更低的功耗、更小的體積和更快的傳輸速率。

43D封裝與2D/2.5D封裝有什么不同

2D封裝屬于傳統(tǒng)封裝技術(shù)，2.5D和3D封裝都屬于先進(jìn)封裝技術(shù)。

2D封裝：是平面化組裝，好比建造平房，如下圖所示。在2D封裝中，所有芯片平鋪在基板上，芯片之間需要通過(guò)金屬線(xiàn)連接，封裝尺寸比較大。

2.5D封裝：2.5D封裝在2D封裝基礎(chǔ)上增加了一層閣樓（即中介層），類(lèi)似建設(shè)二層小洋樓，一層樓閣僅用于走水電管，二層才平鋪建設(shè)房間（即芯片）。

在2.5D封裝中，多塊芯片仍然是水平布置在同一塊基板上，并通過(guò)中介層連接在一起，如下圖所示。

2.5D封裝利用中介層、連接線(xiàn)實(shí)現(xiàn)芯片間更短的信號(hào)傳輸距離和更低的電阻，因此相比2D封裝具有好的散熱性能和更高的帶寬、更小的封裝尺寸。

3D封裝：3D封裝好比建設(shè)摩天大樓，合理利用了封裝內(nèi)的垂直方向空間，通過(guò)TSV等垂直互聯(lián)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更短互聯(lián)距離和更小封裝尺寸。

綜上所述，2D、2.5D和3D封裝主要異同參見(jiàn)下表。

5 3D封裝有哪些應(yīng)用場(chǎng)景

3D封裝在光模塊中的應(yīng)用正逐漸走向成熟，主要應(yīng)用于以下場(chǎng)景。

數(shù)據(jù)中心高速互連：數(shù)據(jù)中心互連采用的400G/800G光模塊，通過(guò)3D封裝將光芯片、電芯片分層集成，使1U機(jī)架內(nèi)模塊密度提升2倍，同時(shí)縮短電光路徑降低約30%信號(hào)損耗。

5G/6G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用：在前傳微型化中，25G灰光模塊采用3D封裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)超薄設(shè)計(jì)（厚度<5 mm），通過(guò)TSV技術(shù)實(shí)現(xiàn)光電芯片垂直互聯(lián)，滿(mǎn)足基站嚴(yán)格的體積與散熱要求。

總之，3D封裝在芯片體積、性能和功耗等方面的顯著提升，引領(lǐng)行業(yè)進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代。

根據(jù)知名產(chǎn)業(yè)分析機(jī)構(gòu)YoleDéveloppement（Yole）預(yù)測(cè)，2025年先進(jìn)封裝占全球封裝市場(chǎng)份額將接近50%。在先進(jìn)封裝市場(chǎng)中，2.5D/3D封裝增速最快，2021年~2027年CAGR（年均復(fù)合增長(zhǎng)率，Growth Rate）達(dá)14.34%。

英特爾已實(shí)現(xiàn)3D先進(jìn)封裝技術(shù)的大規(guī)模量產(chǎn)，在處理器的制造過(guò)程中，不僅能夠以垂直而非水平方式堆疊計(jì)算模塊，而且能夠集成不同的計(jì)算芯片，優(yōu)化成本和能效。