3D IC概述

3D IC（三维集成电路）是一种通过垂直堆叠多个芯片层实现更高集成度的半导体技术。与传统二维平面芯片不同，它突破了平面布局的物理限制，将不同功能的芯片（如逻辑、存储、传感器等）通过垂直互联技术（如TSV硅通孔）层叠封装，形成立体结构的集成电路。

体积更小：在垂直方向堆叠芯片，突破二维平面限制，大幅减少封装体积，适用于对尺寸敏感的设备（如手机、可穿戴设备）。

多功能融合：将逻辑芯片（如CPU/GPU）、存储芯片（如DRAM/Flash）、传感器等异质芯片整合在同一封装内，实现更复杂的系统级功能。

信号传输更快：芯片层间通过短距离垂直互联（如TSV硅通孔），减少信号延迟，提升数据吞吐量（如高带宽内存HBM）。

功耗降低：缩短传输路径减少能量损耗，适合对续航要求高的移动设备或高性能计算场景。

异质集成：不同工艺节点的芯片（如逻辑层用5nm、存储层用28nm）可独立优化，平衡性能与成本。

模块化扩展：通过堆叠不同功能芯片，快速迭代产品，适应多样化需求（如AI加速器的专用芯片堆叠）。

垂直散热路径：利用芯片层间的导热材料（如金属层），将热量分散导出，避免局部过热，提升可靠性。

减少封装成本：替代多芯片封装（MCP）或系统级封装（SiP），降低外部接口与组装成本。

规模化效益：通过堆叠减少芯片数量，降低整体物料成本。减少外部连接：内部垂直互联替代传统引线键合，降低机械应力与故障风险，适用于汽车、航空等高可靠性领域。

3D IC的核心组件是实现其垂直堆叠架构和高性能的关键，主要包括硅衬底（Silicon Substrate）、硅通孔（TSV，Through-Silicon Vias）、微凸点（Micro-Bumps）、芯片层（Die Layers）、键合技术（Bonding Technology）、散热结构、中介层（Interposer）。

硅衬底是基础支撑结构，承载所有芯片层和互联组件，需具备高平整度和机械强度，确保堆叠时的稳定性。

硅通孔垂直贯穿硅衬底的金属填充孔，实现芯片层间的电信号传输；直径仅数微米，需高精度制造；要填充金属（如铜）以降低电阻和信号延迟；还需解决热膨胀系数差异导致的应力问题。

微凸点作为层间机械与电气连接的接口，替代传统引线键合；间距小至数微米，密度高；材料通常为焊料（如锡铅合金）或金属柱（如铜凸点）。

芯片层是堆叠的核心功能单元，包括逻辑芯片、存储芯片、传感器等；不同工艺节点的芯片（如5nm逻辑层+28nm存储层）独立优化；堆叠实现功能扩展（如AI芯片叠加专用加速模块）。

键合技术确保芯片层间的物理连接与对齐，保活直接键合和混合键合。直接键合：如芯片-芯片键合（Face-to-Face），需原子级平整表面。混合键合：结合微凸点与直接键合，提高连接密度和可靠性。

散热结构是为了解决高密度堆叠带来的散热问题，常用的散热结构包括金属导热层和微通道散热技术。金属导热层（如铜层）可以快速导出热量；微通道散热技术（如液体冷却）可以用于极端场景。

中介层在2.5D封装中作为转接层，连接不同芯片。