一、引言
在芯片封装工艺的发展历程中，2.5D/3D封装作为立体封装的重要代表，正逐渐成为推动芯片技术进步的关键力量。本文将深入探讨2.5D/3D封装的相关技术，包括其发展背景、核心技术如TSV和TGV等，以及其他相关技术如硅桥、临时键合和混合键合等，全面展现芯片封装工艺的复杂性和先进性。

二、2.5D/3D封装的发展背景
（一）MCM的基础作用
在2.5D和3D封装之前，多芯片组件（MCM）率先发展起来。MCM是将多个未封装的裸片和其它元器件，组装在同一块多层高密度基板上，通过基板电路进行互连接，然后进行封装。MCM主要针对超大规模集成电路和专用集成电路的裸片，而非中小规模集成电路。其出发点在于满足高速度、高性能、高可靠和多功能需求，体积和重量并非优先考虑因素。MCM技术难度低、成本低、可靠性高，但集成密度低、时延相对较大，可看作是一种2D集成，它为芯片集成化、堆叠化的趋势奠定了基础。

（二）向更高集成度发展的需求
随着半导体技术的不断发展，对芯片集成度和性能的要求越来越高。MCM的局限性逐渐显现，于是基于其发展趋势，更先进的2.5D封装和3D封装应运而生。

三、2.5D/3D封装技术解析
（一）2.5D封装技术
2.5D封装方法通过引入硅中介层（Interposer），并在其上进行电路设计（即RDL），从而实现两个芯片（如内存和CPU、GPU等逻辑芯片）的共同封装，属于横向封装。硅中介层为芯片之间的连接提供了一个中间平台，使得芯片之间的信号传输更加高效和稳定。

（二）3D封装技术
3D封装进一步引入了TSV（硅通孔）技术，在芯片上刻蚀垂直通孔，并填充金属，以此来完成多个晶粒的上下堆叠封装，属于纵向封装。TSV技术使得芯片之间的连接更加紧密，大大提高了芯片的集成度和性能。

（三）2.5D与3D封装的结合应用
在实际应用中，通常会同时采用2.5D和3D封装技术。例如，有1个或多个计算芯片，搭配HBM堆栈，这种封装有时也称为3.5D封装。

四、TSV技术详解
（一）TSV的基本原理
TSV的全称是Through - Silicon - Via（硅通孔，也叫硅穿孔）。在硅中介层上，制作垂直导通孔，并通过铜、钨、多晶硅等导电物质的填充，实现垂直电气互连。在TSV诞生之前，芯片之间的大多数连接都是水平的，而TSV技术的出现使得芯片能够在垂直方向上进行堆叠，大大提高了芯片的集成度。

（二）TSV的结构组成
在通孔内，由外到内依次为绝缘层、阻挡层、种子层、电镀铜柱（Cu）。

绝缘层：将硅板和填充的导电材料之间进行隔离绝缘，材料通常选用二氧化硅，防止电流泄漏和电子窜扰。
阻挡层：由于铜原子在TSV工艺流程中可能会穿透绝缘层，导致封装器件产品性能的下降甚至失效，所以需要采用化学稳定性较高的金属材料作为阻挡层，起保护作用。
种子层：同样为铜（Cu），提供Cu晶核，作为后续电镀过程的导电层，为铜的电化学沉积提供起始点。种子层能够确保电流均匀分布，从而实现金属在孔内的均匀填充，提升电镀质量，同时也可以改善铜的粘附性，防止附着力不足而发生分层或剥落。
电镀铜柱：用于信号导通，通过电化学沉积的方法在孔内填充铜，实现芯片之间的垂直电气连接。
（三）TSV的工艺流程
TSV的构建时间根据具体芯片设计架构来决定，其工艺主要分为先通孔工艺（Via First）、中通孔工艺（Via Middle）和后通孔工艺（Via Last）。

深孔刻蚀及清洗
刻蚀工艺：包括干法刻蚀（深反应离子刻蚀，DRIE）、湿法刻蚀、激光打孔、光辅助电化学刻蚀法等。其中，DRIE技术中的Bosch（博世）刻蚀具有更好的深宽比效果，是比较常用的工艺手法。Bosch刻蚀采用六氟化硫（SF₆）和四氟化碳（C₄F₈）这样的电子特气，在刻蚀中，用SF₆等进行刻蚀，用C₄F₈等进行侧壁覆盖，可以实现高深宽比。
清洗要求：刻蚀完成后，要进行清洗，防止电子特气残留。湿法刻蚀采用掩模版与化学腐蚀结合的方式，最常选用的腐蚀溶液是KOH，其能腐蚀硅衬底上不受掩模版保护的位置，进而形成通孔结构，但这种方法所形成的通孔会受到硅片的晶向影响，容易歪，且“顶部宽底部窄”，限制了应用。光辅助电化学刻蚀法（PAECE）适用于刻蚀大于100:1的超大深宽比通孔结构，但刻蚀深度的可控性较弱，仍需改进。激光钻孔法形成的通孔深宽比高，且侧壁基本垂直，但激光局部加热容易对孔壁造成热损伤，降低可靠性。
绝缘层/阻挡层/种子层沉积
通孔刻蚀完成之后，首先沉积绝缘层（二氧化硅），防止电子窜扰（隔离电流泄露）。
然后，沉积阻挡层，帮助后续的铜镀层更好地附着，并且防止电子迁移。
最后，沉积种子层，为后续的电镀过程做准备。
深空填充
填充材料：主要是电镀铜，因为相关工艺比较成熟，且电导率与热导率都比较高。
电镀方法：包括亚保形、保形、超保形以及自底向上电镀法等，不同的方法电镀速率和分布存在差异。
后续处理：电镀后，还要进行退火，释放应力。最后，通过CMP（化学机械抛光）等工艺，把孔口处理好，去除多余的露铜。
（四）TSV技术的应用现状
目前，TSV技术在行业中已经属于关键工艺，对于制造高端芯片非常重要，广泛应用于存储器（例如堆叠式DRAM）、处理器、图像传感器等高性能芯片中。

五、TGV技术介绍
（一）TGV的基本原理
除了TSV之外，TGV（through - glass - via，玻璃通孔）也开始崛起。TGV就是在玻璃（高品质硼硅玻璃、石英玻璃）上打孔、填充，实现垂直互联。

（二）玻璃的优势与劣势
优势
机械强度和稳定性：玻璃的硬度更高，耐高温，热膨胀系数(CTE)低，具备更好的机械强度和稳定性。
信号完整性：在信号完整性方面，玻璃基材具有低介电常数，信号传输时损耗较小，衰减低，信号完整性更好。
绝缘性能：玻璃的绝缘性能出色，无需额外添加绝缘层。
与面板级封装兼容：玻璃中介层与面板级封装（上期说到的FOPLP）兼容，具有低成本实现高密度布线的潜力。
劣势
加工难度：玻璃的蚀刻加工难度相对较大，没有硅基板加工那么容易。
散热性能：玻璃的导热性较差，不利于热量散发。
技术成熟度：玻璃通孔相关技术没有硅处理那么成熟。
（三）TGV的加工流程
TGV和TSV差不多，主要是提前选择合适的玻璃基板，需要具备良好的尺寸稳定性、热膨胀系数匹配性和电学性能。刻蚀的工艺方法有很多，包括机械微加工法、玻璃回流法、聚焦放电法、光敏玻璃紫外曝光法、激光烧蚀法、激光诱导法等。目前，凭借在机械强度、耐热性、绝缘性和信号传输方面的优势，TGV已经在光通信、射频、微波、微机电系统、微流体器件和三维集成等领域有非常不错的表现，应用前景非常广泛。

六、硅桥技术解析
（一）硅桥的基本原理
硅桥是在基板上构建的一个薄层的嵌入式硅通道，用于2.5D封装中芯片与芯片之间的互连。硅桥的体积很小，只桥接了芯片之间必要的接口区域，不需要覆盖整个半导体区域。在硅桥占据的区域以外，传统的铜柱技术（copper pillar）可以直接向芯片提供IO、电源和接地信号。

（二）硅桥的特点与应用
硅桥的最突出特点是不需要中介层，也不需要TSV，减少了额外的工艺，也降低了成本，提升了封装良率。Intel主导的2.5D封装技术——EMIB，就是基于硅桥。EMIB使用了多个嵌入式桥接芯片，内嵌至封装基板，实现多个不同制程芯片之间的高效率、高密度互连。

七、临时键合技术
（一）临时键合的背景
临时键合是由晶圆减薄催生的一个工艺流程。晶圆减薄除了可以减小芯片体积之外，还具有增强散热、增强电学性能、提高集成度和降低成本等优势。随着TSV实现了芯片的纵向堆叠，芯片变得越来越厚，为了提高晶圆制造良率、加工精度和封装精度，需要一种临时的支撑方法，于是引入了临时键合。

（二）临时键合与解键合工艺
临时键合：在晶圆背面减薄前，将晶圆转移到一个晶圆载板（载片）上，为其提供强度支撑。
解键合：等到彻底完成减薄及其它背面工艺后，再进行“解键合”。解键合有四种方式，包括机械剥离、湿化学浸泡、热滑移、激光解键合。其中，激光解键合是目前的主流选择，它是使用激光透过玻璃对粘结剂层进行照射，产生热量使粘结剂分解，或者产生能量使化学键断键。
八、混合键合技术解析
（一）混合键合的基本原理
混合键合，又称为直接键合，是3D封装时代逐渐出现的一种新型技术。其核心原理是基于分子间作用力（范德华力），通过铜 - 铜直接键合与介质键合的协同作用，实现芯片间的高密度垂直互连。这种技术无需传统的铜柱或锡球等Bump凸点结构，可实现小于1微米的超细互连间距连接，互连密度极高，单位面积的I/O端口数量可以提升千倍以上，大幅提升芯片间数据传输带宽。

（二）混合键合的工艺步骤
键合前预处理：晶圆需经过CMP（化学机械抛光）、表面等离子体活化及清洗处理，实现平整洁净且亲水性表面，增加表面结合力。CMP过程还可以减少Cu线路腐蚀和Cu凹陷。
预对准键合：两片晶圆在键合前进行预对准，并在室温下紧密贴合后介质SiO₂上的悬挂键在晶圆间实现桥连，形成SiO₂ - SiO₂间的熔融键合。此时，Cu铜触点之间存在物理接触或凹陷缝隙，未实现完全的金属间键合。
热退火处理：通过后续热退火处理，进行高精度倒装热压，促进了金属Cu的互扩散，形成永久键合。
（三）混合键合的优势与应用前景
混合键合实现了更薄的晶圆堆叠，让整体架构更加紧凑，不仅有利于提升热管理能力，也优化了电气性能。它支持逻辑芯片、存储芯片、传感器等不同功能单元的垂直堆叠，有利于三维集成，也提升了异构设计的灵活性。在工艺兼容性和成本优化方面，混合键合也有很大的潜力，它可以兼容现有晶圆级制造流程，可与TSV、微凸块等技术结合形成复合封装方案。

九、结论
芯片封装工艺是一个复杂而精细的过程，2.5D/3D封装作为其中的先进技术，涵盖了TSV、TGV、硅桥、临时键合和混合键合等多种关键技术。这些技术的不断发展和创新，推动了芯片集成度和性能的不断提升。随着时代的发展，在前道工艺中挑战摩尔定律变得越来越困难，通过封装来打造更强大的芯片成为了一个重要选项。业界厂家们围绕封装推出了众多技术，这些技术本质上都是基于这些基础技术和工艺。未来，芯片半导体工艺还将继续演进，我们有理由期待更小、性能更强大的芯片出现。