隨著半導體行業的不斷發展，對更高效、可擴展和高性能解決方案的需求正在推動異構集成和先進封裝技術的創新。這些創新對于高性能計算、人工智能和邊緣計算應用至關重要。這些進步的核心是下一代互連技術的開發，這對于提升性能、增加數據帶寬和降低能耗至關重要。
而隨著摩爾定律下傳統晶體管的微縮已接近物理和經濟極限，人們的關注點已轉向將各種計算、存儲和傳感功能集成到緊湊高效的封裝中。然而，這種轉變的成功在很大程度上取決于先進互連技術的能力，這些技術必須保持高信號完整性、最大限度地降低能耗、提供可擴展性并支持廣泛的應用。
互連技術的關鍵進步包括硅通孔 (TSV)、中介層和混合鍵合方法的發展。
u 高密度硅通孔 (TSV)（例如間距小于 3 μm 且采用無空隙銅填充）可實現堆疊芯片之間的垂直互連，而 TSV 布局的創新對于降低寄生效應和提升熱性能至關重要。
u 中介層和橋接技術也在不斷發展，硅中介層用于支持芯片集之間的高帶寬連接。有機中介層和玻璃中介層等新興技術提供了具有獨特電氣和熱性能的經濟高效的替代方案。
u 混合鍵合方法，例如英特爾的嵌入式多芯片互連橋接 (EMIB)，無需完整的中介層，從而在提高性能的同時降低成本。
直接鍵合互連 (DBI：direct bond interconnect) 等混合鍵合技術也日益受到關注。這些方法通過使用直接電介質鍵合和金屬互連，實現了更高的互連密度和卓越的電氣性能。晶圓間鍵合和芯片間鍵合技術對于高精度堆疊芯片至關重要，這在需要超高密度和低延遲的應用中尤為重要。下圖展示了 10 μm 和 1.9 μm 間距混合互連的示例。
10 μm 間距混合鍵合（左）和 1.9 μm 間距混合鍵合（右）
采用先進鍵合技術實現的混合互連，芯片到晶圓 (C2W) 間距小于 3 μm（互連密度大于 10 5 /mm2），要求：3σ 放置精度小于鍵合間距的 10%；空隙不得大于鍵合間距的 0.5%，總空隙密度不超過鍵合間距的 2.5%；無顆粒和無缺陷（尺寸大于 50 nm）的組裝工藝和流程；以及具有無空隙填充（void-free fill）、低應力和彎曲以及高熱導率的芯片間間隙填充（ inter-die gap fill）材料。
與此同時，人們正在探索光子互連技術，以突破電連接的局限性。片上光子技術可以提供低延遲、高吞吐量的連接，同時功耗更低，使其成為高帶寬和長距離通信的理想選擇。此外，人們還在開發結合電子和光子互連的混合電光解決方案，以充分利用這兩種技術的優勢。
重分布層 (RDL) 是先進互連技術的另一個關鍵組件。用于扇出型晶圓級封裝 (FOWLP) 的細間距 RDL 無需硅中介層即可提供高密度連接。雙層和多層 RDL 支持更復雜的布線方案，并通過降低電磁干擾來提高信號完整性。將多個異構組件集成在單個封裝中的系統級封裝 (SoP) 設計也受益于這些進步。高帶寬內存 (HBM) 接口依靠先進的互連解決方案在處理單元和堆疊內存之間實現低延遲、高帶寬通信，從而實現現代人工智能計算系統中的高效數據傳輸。
材料和工藝創新對于互連技術的進步至關重要。低損耗、高介電材料的開發可以提高高頻信號完整性，而先進的金屬化技術則旨在提高可靠性并減少電遷移。銅仍然是標準的互連材料，但人們正在探索鈷和釕等替代材料，以實現更小的幾何尺寸。有效的熱管理解決方案，例如先進的熱界面材料和集成散熱器，對于高密度互連產生的熱量的散熱也至關重要。
盡管取得了顯著進展，但仍存在一些挑戰。隨著數據速率的提高，高頻信號完整性的管理變得越來越困難，這需要在材料和電路設計方面取得突破。最小化每比特傳輸的功耗是另一個關鍵點，尤其是對于人工智能和邊緣計算等需要高性能和低能耗的應用而言。此外，確保可擴展性和可制造性以及合理的成本對于廣泛應用至關重要。下一代互連的未來需要材料科學家、電氣工程師和封裝設計師之間的跨學科合作，以創建突破性能、效率和集成度界限的整體解決方案。隨著這些技術的進步，它們將繼續塑造半導體封裝的未來，并在廣泛的應用中創造新的可能性。
隨著業界致力于開發針對特定應用定制的更高性能、更低功耗的解決方案，預計chiplet的普及將持續下去。下一代封裝需要支持異構集成的爆炸式增長，實現互連，以容納極細間距的 I/O 芯片（間距小于 10 μm）和極細的線/線距（線寬小于 1 μm）電路。總體而言，3D 芯片集集成的目標是實現兩個基本性能要求：(1) 更高的效率（以bits/J為單位）；(2) 更高的帶寬密度（以 IO/mm 或 IO/mm2 為單位）。
表1：實現未來 HI 的路線圖技術發展需求
表1展示了用于互連芯片集并滿足未來高性能要求的 HI 路線圖。為了滿足未來對硅中介層的需求，需要能夠在正面生產更多數量的增層，并在背面生產多層 RDL。基板厚度也可能需要從 100 μm 降至 50 μm 或更低。對于重構 fan-out技術，主要的技術驅動力將是實現正面和背面增層 L/S 均小于 1 μm。對于這兩種 HI 技術，都需要容納 I/O 焊盤間距小于 10 μm 的芯片。此時，組裝技術將從傳統的焊接方法過渡到混合鍵合。未來的開發工作需要側重于芯片到晶圓 (D2W) 和芯片到芯片 (D2D) 混合鍵合，以滿足未來的性能和成本目標。
