【十万个为什么】为什么芯片垂直堆叠在芯片封装中机具优势？

文摘 2024-12-26 23:59 江苏

在众多封装技术中，打线封装曾一度占据主导地位，但随着集成度要求的提升和信号传输性能的需求增加，打线封装的局限性逐渐显现。芯片垂直堆叠技术以其独特的优势，正逐步取代传统的打线封装，成为未来高性能、高集成度芯片封装的主流趋势。

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一、打线封装的基本原理

打线封装（Wire bonding）是一种使用细金线（或其他导电材料）将芯片上的焊盘与封装基板上的引脚进行电气连接的技术。这一过程主要包括四个关键步骤：第一点焊接、拉线、第二点焊接以及焊线切断。首先，通过精密的机械装置将金丝的一端（第一点）焊接到芯片上的指定焊盘上；随后，金丝被拉伸至封装基板的相应引脚位置，完成第二点的焊接；最后，切断多余的金丝，形成稳定的电气连接。

二、垂直堆叠与打线封装的对比

打线封装本质上是一种平面封装方式，其最大的局限在于信号的传输路径较长。由于金线在水平方向上延伸，不仅增加了信号的传输延迟，还导致了额外的功耗，特别是在高性能、高频率的应用场景中尤为明显。此外，打线封装占用的封装面积较大，不利于实现高集成度，且因金线易受环境因素影响（如热循环、振动），其可靠性存在一定的挑战。

相比之下，垂直堆叠技术，尤其是通过TSV（Through Silicon Via，硅通孔）和TGV（Through Glass Via，玻璃通孔）转换板实现的堆叠，则展现了显著的优越性。TSV/TGV技术允许在芯片的Z轴方向上进行堆叠，实现了三维封装，极大地缩短了信号传输路径。这种结构不仅显著降低了信号延迟和功耗，还显著提高了封装密度，为更高集成度的设计提供了可能。

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三、垂直堆叠的优势

信号传输效率提升

垂直堆叠通过缩短信号路径，有效减少了信号延迟，提升了数据传输速率，这对于高速接口和处理器芯片尤为重要。

功耗降低

由于信号传输距离缩短，所需的驱动能量减少，从而降低了整体功耗，这对于移动设备和电池供电设备尤为关键。

封装密度增加

三维堆叠极大地节省了封装面积，使得更多的功能可以集成到更小的封装尺寸内，满足了现代电子设备小型化、轻量化的需求。

可靠性增强

TSV/TGV技术通过固体材料内部的导电通道进行连接，相比wire bonding的金线连接，具有更高的机械强度和热稳定性，提高了封装的长期可靠性。

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