多芯片封装（Multi-Chip Packaging, MCP）技术通过在一个封装中集成多个芯片或功能单元，实现了空间的优化和功能的协同，大幅提升了器件的性能、带宽及能源效率，成为未来高性能计算、人工智能、通信等领域的核心基础。多芯片封装技术已经成为集成电路产业的关键方向之一。其优势在于提升性能、节省空间和支持多样化应用。然而，该技术仍面临着基板制造、热管理、电源传输等多方面的挑战。

一、什么是多芯片封装？

     多芯片封装是一种将多个芯片（如逻辑芯片、存储芯片、射频芯片等）集成到一个封装体中的技术。这种技术包括2.5D封装（通过硅中介层连接）和3D封装（垂直堆叠芯片），旨在实现更高的集成度和性能。

     我们可以将多芯片封装形象地比喻为搭建“微型城市”：每个芯片相当于一个功能区域，通过“道路”（即互连结构）连接，实现高效协作。这种设计理念不仅提高了芯片的集成密度，还使得不同功能的芯片能够紧密配合，共同提升整体性能。

二、多芯片封装有何优势？

• 提升性能

     通过缩短芯片间的信号传输路径，多芯片封装能够显著降低延迟和功耗，从而提升整体性能。

• 节省空间

     由于多个芯片被集成到一个封装中，因此可以大大减小封装体积，这对于移动设备和高密度服务器来说尤为重要。

• 模块化设计

     多芯片封装技术便于不同功能芯片的灵活组合，降低了设计的复杂性，使得产品更具灵活性和可扩展性。

三、多芯片封装技术关键

1.先进基板

     先进基板是多芯片封装的物理载体，其性能直接决定信号传输的速度和功耗。当前，技术要求先进基板的线宽/线距达到1/1μm甚至更小，以满足高带宽和低功耗的需求。

     然而，在这一领域，美国产业链相对落后于亚洲，特别是在精细间距重新布线层（RDL）技术上。为了弥补这一差距，美国正在实施HIR计划，旨在到2030年实现0.5/0.5μm线宽/线距的突破。

2.互连技术

     芯片间互连是多芯片封装的核心挑战之一。目前，主要有两种主流的互连技术。

• 硅中介层（Interposer）

     硅中介层能够提供高密度互连，支持更大的带宽，但制造成本相对较高。

• 有机基板

     有机基板成本较低，但信号完整性和散热性能略逊于硅中介层。

3.热管理

     随着封装功率密度的增加，热管理成为多芯片封装技术中亟待解决的问题。目前，200-400W的热设计功耗（TDP）需要有效的散热方案来应对。

     为了解决这一问题，业界正在引入先进的封装内热导材料、集成热界面材料（TIM）和液冷等技术。这些技术的应用将显著提高封装的散热性能，确保芯片在长时间高负荷运行下的稳定性。

4.电源传输

     高带宽需求使得电源传输成为多芯片封装中的一大瓶颈。传统分立电源组件已无法满足封装内高功率密度要求，因此需要寻找新的解决方案。

     基于封装内电压调节器（IVR）的技术应运而生。该技术利用电感和开关电容实现高效电源传输，能够满足封装内高功率密度和高效率的需求。

四、多芯片封装技术的技术难点

     多芯片封装的实现还面临着诸多工艺挑战，主要包括制造工艺、材料升级和可靠性等方面。

• 制造工艺

     高精度制造工艺是多芯片封装的关键。目前，业界正在致力于突破精细间距RDL制造技术，以实现更高的线宽/线距。同时，面板级封装（PLP）技术也为大尺寸封装提供了更高性价比的解决方案。

     然而，这些制造工艺的突破需要巨大的投资和技术积累。目前，亚洲地区在这一领域具有较为明显的优势，但全球范围内的合作与交流仍是推动技术进步的关键。

• 材料升级

     多芯片封装需要新型材料的支持。例如，中介层替代材料如高密度陶瓷基板，具备更高的热导率和机械强度，能够显著提高封装的性能。此外，封装材料也需要支持更高的热导率和更低的电阻，以满足高功率密度的需求。

     然而，新型材料的研发和应用需要跨学科的合作与探索。材料科学家、工程师和制造商需要紧密合作，共同推动材料技术的升级与创新。

• 可靠性

     堆叠芯片和细间距互连带来的机械应力、热膨胀失配等问题，对封装的长期可靠性提出了严峻挑战。为了解决这些问题，业界正在致力于开发新的封装结构和材料，以提高封装的机械强度和热稳定性。

     同时，对封装进行严格的可靠性测试和验证也是必不可少的。通过模拟实际使用场景和极端条件，对封装进行长期的性能测试和可靠性评估，可以及时发现并解决潜在问题，确保封装的稳定性和可靠性。

• 小芯片（Chiplet）和异构集成

     小芯片技术将不同工艺节点、功能模块芯片进行集成。相比传统的单片设计，小芯片提供了更高的灵活性和性能。通过异构集成，可以将不同功能和特性的芯片组合在一起，实现更高效的数据处理和传输。

     例如，高带宽存储（HBM3）需要每通道4-6Gbps的数据速率，封装中的I/O数量快速增长。通过小芯片和异构集成技术，可以将多个HBM3芯片集成到一个封装中，实现更高的存储带宽和更低的延迟。

• 2.5D与3D封装的扩展

     2.5D封装技术将继续扩展，通过改进EMIB（Embedded Multi-die Interconnect Bridge）等技术，提高带宽密度并降低成本。同时，3D封装技术也将得到进一步发展，通过垂直堆叠实现更高的性能密度。

     然而，3D封装技术面临着更大的挑战，如热管理和制造精度等。为了克服这些挑战，业界正在致力于开发新的散热技术和制造工艺，以确保3D封装的稳定性和可靠性。

• 高密度基板技术

     未来，高密度基板技术将得到进一步发展。通过改进有机基板和面板级基板的性能，将其线宽/线距提高到1/1μm以下，可以实现更低的电阻和更高的传输速度。这将为高性能计算和通信等领域提供更强大的支持。

• 电源集成

     封装内电源集成技术将进一步优化。通过局部电压调节器和高效电源传输组件的应用，可以支持高功率应用并降低功耗。这将为数据中心、高性能计算等领域提供更高效的能源解决方案。