3分钟快速了解｜2.5D封装（2.5D Packaging）与3D封装（3D Packaging）

发表时间：2026-07-11 08:23

今天的学习资料梳理芯片封装从单裸片到多芯片集成的演进，说明系统级封装如何发展出2.5D和3D路线，并比较二者在尺寸、性能、功耗、异构集成、热管理、制造难度和应用场景上的差异。

2.5D和3D封装不是噱头，而是把更多功能塞进更小空间的关键路径。

Packaging Part 4 - 2.5D and 3D

Key Takeaways

单裸片芯片（Single Die Chip，一个封装或芯片中只包含一个裸片的芯片形式）性能可以很强，但组合成系统时会变大、变贵、功耗更高。

系统级封装（SiP/System in Package，把多个裸片或芯片级封装器件集成到同一封装中的方式）是2.5D和3D封装的上位类别。

硅中介层（Silicon Interposer，位于基板和裸片之间并承担互连作用的硅层）是2.5D和3D封装的关键基础。

2.5D主要做中介层上的水平集成，优势是互连短、速度高、功耗低、热管理相对更好。

3D通过垂直堆叠提高功能密度，但热管理、TSV应力和设计成本是主要挑战。

3分钟快速了解

这份资料回答一个问题：为什么封装会从2D走向2.5D和3D？起点是单裸片芯片。每颗单独芯片可以在最适合的技术节点上制造，单体性能很好；但把多个单芯片放到电路板上组合时，系统会变大、互连变长、功耗增加，整体性能下降。后来出现多芯片模块（MCM/Multi-chip Module，把多个裸片安装在同一封装基板上的模块），把多个数字功能裸片放在同一封装基板上，但仍然依赖布线或引线键合。

再往后是片上系统（SoC/System on Chip，把处理器、存储、外设等功能集成在同一硅裸片上的芯片），它性能高、功耗低，但设计复杂、资源消耗大，重新流片代价高，升级或修复也困难。于是系统级封装出现：多个裸片或芯片级封装器件共用一个基板，每个裸片可以用最合适的工艺制造，未来修改时可能只调整其中一部分。

2.5D和3D都属于SiP的子类别。它们的关键共同点，是使用硅中介层和硅通孔（TSV/Through Silicon Via，穿过硅实现垂直电连接的通孔）。2.5D把多个裸片倒装到中介层上，主要在中介层上水平互连，不把芯片彼此垂直堆叠。它比传统2D更小、互连更短，速度和性能更高，功耗更低，还支持异构集成（Heterogeneous Integration，把不同制造商、功能或工艺节点的芯片组合在一起）。不过，2.5D并不简单，它需要先进设备、复杂规划和高水平集成知识，成本高，可靠制造也更有挑战。

3D进一步把裸片垂直堆叠，可在更小占地面积内增加功能，符合“超越摩尔定律”（More than Moore，不只追求晶体管数量，也追求功能密度提升）的思路。但3D也带来严重热管理问题，热密度升高会影响性能；TSV穿过有源层时，还要设置禁布区，避免铜与硅热膨胀差产生应力损伤器件。因此，3D很有潜力，但更适合特定应用，尤其资料中提到的存储器堆叠。

复述骨架：

单裸片芯片单体性能强，但系统组合后互连长、功耗高。
SiP把多个裸片放进同一封装，是2.5D和3D的基础。
2.5D使用硅中介层，在中介层上进行水平集成。
3D把裸片垂直堆叠，提高功能密度和空间利用率。
2.5D更灵活，3D密度更高，但热管理和成本更难。

从单裸片芯片到多芯片集成

本资料讨论2.5D和3D封装。它们是当前封装领域的热门话题，也被很多人视为封装未来的重要方向。理解它们之前，需要先回顾芯片封装是如何走到这一步的。

最早可以从单裸片芯片说起。单裸片芯片本身可以具有很高性能，因为公司可以专注于制造自己擅长领域的器件，而且每颗芯片都可以使用最适合的技术节点实现。单独看，这些芯片非常好。

但是，当多个单裸片芯片被组合到一起时，系统会变得更大、更昂贵，消耗更多功率，也可能出现更多故障。整体互连也会变长，从而降低电路板整体性能。

多芯片模块与片上系统

为了提高功能性，行业进入多芯片模块阶段。多芯片模块大约从20世纪90年代开始发展，它包含多个只负责数字功能的裸片，这些裸片安装在同一个封装基板（Package Substrate，用来承载并连接芯片的封装底部结构）上，但仍通过布线或引线键合（Wire Bonding，用金属线把芯片连接到基板或引脚的工艺）连接。

之后，为了减少这些问题，片上系统出现了。片上系统直到今天仍然具有很高性能和低功耗表现。它可以在一整片硅中集成一个或多个处理器核心、存储块、外围功能、硬件加速器等，也可以在同一裸片上加入射频功能（RF）。不过，某些功能集成在同一裸片上的效果可能并不是最优。

片上系统的另一个问题，是重新流片设计所需的时间和费用。一旦芯片制造出来，基本上就会保持原样。由于所有功能都放在单颗芯片中，升级或修复某一部分会更困难。

系统级封装的出现

为了让系统集成更容易，并作为多芯片模块的演进，系统级封装出现了。

系统级封装由多个裸片（Die，芯片中承担电路功能的硅片单元）和/或芯片级封装器件组成，它们安装在同一个公共基板上，由这个基板把它们连接在一起。随后，基板和组件会被放入或构建进单个封装中。

每个裸片都可以使用其所属领域最合适的技术工艺实现。如果未来需要重新流片，可能只需要调整器件中的一部分，而不必改变整颗裸片。这是SiP相比SoC最大的优势之一。

也可以先做出小型SiP，再把这些小SiP安装到更大的SiP中，这称为封装内封装（Package in Package，将小封装装入更大封装中的方式）。也可以把SiP安装在其他SiP之上，这称为封装上封装（Package on Package，将一个封装堆叠在另一个封装上的方式）。

5D、3D与SiP的关系

SiP本质上是把多个裸片放到公共基板上，并集成到单个封装中。因此，2.5D和3D都属于SiP的子类别。

2.5D和3D都会使用前一讲中提到的硅中介层。2.5D引入硅中介层和硅通孔技术；3D则把两个或更多裸片叠放在彼此之上，并使用带硅通孔的有源中介层（Active Interposer，内部含有功能组件的中介层）或有源层（Active Layer，带有功能电路的层）。

硅中介层回顾

硅中介层是位于基板和裸片之间的一层结构。它不只是封装材料，也承担互连功能。它可以把裸片彼此连接起来，让裸片之间通信，同时也把裸片连接到封装基板上的输入和输出端。

硅中介层通过硅通孔连接到封装基板另一侧，并通过重布线层（RDL/Redistribution Layer，把信号重新分配到目标连接位置的布线层）把芯片相互连接，也把信号送到需要到达的位置。

硅中介层可以是有源的，也可以是无源的。无源中介层（Passive Interposer，只提供互连、不含主动功能电路的中介层）只作为互连结构；有源中介层内部则嵌入完整功能系统。中介层由晶圆代工厂制造，因为晶圆代工厂负责处理硅相关工艺。

5D封装是什么

2.5D封装在SiP基板和裸片之间使用硅中介层，裸片以倒装芯片（Flip Chip，将裸片正面朝下连接到基板或中介层的方式）方式安装到中介层上。

它使用硅通孔和重布线层把裸片彼此连接起来，同时也把它们连接到输入和输出端。它属于水平集成，不过这种水平集成是在中介层之上完成的。芯片位于中介层上方，芯片之间水平连接，不会彼此堆叠。

资料指出，很多人喜欢把2.5D称为通往3D的垫脚石，但实际情况并非如此。2.5D本身就有许多优势。

2.5D的优势与缺点

2.5D封装比传统封装小得多。传统2D封装中，各组件彼此分开，安装在PCB（Printed Circuit Board，连接电子元件的电路板）上，并通过引线键合连接。2.5D可以把多个功能集成到单个封装中，并显著缩短互连长度。

得益于中介层带来的更短互连，2.5D可以实现更高速度和更高性能。由于芯片之间通信时导线电阻更低，它也可以降低功耗。

2.5D还允许异构集成。可以从不同制造商选择不同部件，把它们放在同一个中介层上，再为这些芯片设计合适的中介层。

与3D相比，2.5D具有更好的热管理。虽然仍然需要小心处理热问题，但热管理是3D面临的主要问题之一，而2.5D在这方面似乎表现更好。中介层由硅制成，与实际裸片热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion/CTE，材料随温度变化而膨胀或收缩的程度）匹配，因此在温度变化时可以减少应力。

不过，2.5D并不完美。它很难集成，需要大量先进知识，以及非常先进的技术规划和执行能力。一个理想设计可能同时组合现成芯片和定制小芯片，组合标准CMOS和特殊材料，甚至混合不同工艺节点。这些知识和技术必须整合在一起，也需要先进设备，因此成本较高。由于包含许多组件和工艺环节，制造可靠性也更具挑战，某些工艺环节良率可能低于传统封装。

3D封装是什么

3D封装是在封装内部进行垂直和水平集成。它不只做水平集成，也可以把芯片垂直堆叠起来。也就是说，一些芯片可以垂直集成，也可以水平集成。

3D使用有源中介层或有源层。这些中介层和裸片具有硅通孔，并保持自身功能。也就是说，硅通孔会穿过有源层。需要注意的是，当硅通孔穿过有源层时，必须留下禁布区（Keep-out Zone，硅通孔周围不能放置有源组件的区域），否则有源组件可能受损并导致芯片失效。

还有一种特定架构叫3D堆叠（3D Stacking，将执行相同功能的裸片上下堆叠的结构）。它由多组执行相同功能的裸片组成，这些裸片彼此上下堆叠，通常用于存储器或类似用途。通过堆叠存储芯片，可以增加可用存储容量。

3D的优势与缺点

3D的尺寸甚至比2.5D更小，因为它可以垂直堆叠。芯片的水平占地面积远大于垂直高度，因此垂直堆叠时，高度变化相对不大，却可以让芯片性能随着层数增加而扩展。

3D符合超越摩尔定律的思路，因为它提高了功能密度。这里不只是增加晶体管数量，而是增加单位面积内的功能数量。

得益于硅通孔，3D还能获得更短布线，从而减少互连延迟、降低功耗并降低电容。它也允许把异构片上系统设计分散到不同裸片上，例如把存储器与逻辑电路、射频和混合信号组件分别放到不同裸片上，再集成为一个系统。

但3D并不能解决所有问题。最大问题是热管理。若热密度翻倍而冷却能力没有改善，性能可能下降超过30%。芯片通常需要散热片和其他热管理技术，热量会从底层或高发热区域流向散热区域，因此设计时必须非常小心。通常可使用散热片和热通孔重新分配热量。

另外，硅通孔会在不同层之间产生应力。由于TSV由铜制成，而各层通常由硅制成，二者热膨胀系数不同，高温下铜可能对硅层产生应力。因此有源层中必须设置禁布区。TSV周围约20微米范围内不应放置任何有源组件，否则可能导致性能下降甚至芯片失效。最后，3D技术要求很高，设计成本也更高。

应用案例与行业现状

第一款商用2.5D IC是Xilinx Virtex-7 2000T。它具有基板、中介层，以及位于中介层上方的裸片。资料还提到，Google AlphaGo TPU 2.0据称也把2.5D用于AI芯片。因此，2.5D似乎具有不同功能，也更具多用途特点。

3D IC的第一次商业应用是2004年的Sony PSP，也就是PlayStation Portable。它将3D用于DRAM存储器，由Toshiba制造。由于3D的主要优势之一是尺寸，因此它非常适合移动设备或小型设备，这些设备需要在小空间内实现高功能性。

另一个移动应用案例是iPhone 5s主板。它包含Apple A7处理器，并与不同存储模块堆叠在一起。不过资料说明，这并不是完整意义上的3D，因为它没有使用硅中介层把芯片垂直连接起来，但它确实使用了3D架构。

3D技术持续进步。资料提到，2017年Samsung开始制造采用八堆叠、64层芯片的闪存；2019年Samsung制造了1TB闪存芯片，包含16个堆叠的V-NAND裸片。截至2019年4月，市场上已经可以买到最高96层的存储器器件，其中一些由Toshiba生产。

总结

传统上，行业使用2D封装。随着SiP引入，中介层让行业进入2.5D和3D。2.5D把芯片水平集成到中介层上，中介层负责连接芯片和裸片。它在密度、功能密度和晶体管密度方面都有提升，并且似乎比某些3D方案更灵活、更多用途。

3D则把芯片垂直堆叠在彼此之上，并具有硅通孔穿过的有源层。资料指出，3D主要用于存储芯片。2.5D和3D似乎是封装行业未来的重要方向，值得持续关注。

参数表

项目	数值/说明
资料名	Packaging Part 4 - 2.5D and 3D
主题	2.5D与3D封装
上位类别	SiP系统级封装
关键共同技术	硅中介层、硅通孔
2.5D核心结构	裸片倒装在硅中介层上，主要水平互连
3D核心结构	两个或更多裸片垂直堆叠，并使用带TSV的有源层
单裸片优点	单体性能高，可使用最合适技术节点
单裸片系统缺点	更大、更贵、功耗更高、互连更长
SoC优点	高性能、低功耗、短通信距离
SoC缺点	复杂、资源消耗大、重新流片昂贵、升级维修困难
SiP优势	可按功能拆分裸片，修改时可能只调整部分器件
2.5D优势	更小、更快、功耗更低、支持异构集成、热管理相对更好
2.5D缺点	集成难、设备先进、成本高、可靠制造更具挑战
3D优势	尺寸更小、功能密度更高、互连更短、适合堆叠存储
3D主要缺点	热管理、TSV应力、禁布区、设计成本高
禁布区范围	TSV周围约20微米
热管理影响	冷却不改善时，热密度翻倍可能导致超过30%性能下降
2.5D商用例子	Xilinx Virtex-7 2000T
3D商用例子	2004年Sony PSP中的DRAM存储器
3D存储进展	64层、1TB、最高96层存储器器件等案例

流程卡｜从2D到3D封装演进

单裸片芯片→多芯片模块MCM→片上系统SoC→系统级封装SiP→2.5D水平集成与3D垂直堆叠

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