文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：小陳婆婆

本文介紹了系統(tǒng)級立體封裝技術(shù)的技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用。

系統(tǒng)級立體封裝技術(shù)作為后摩爾時(shí)代集成電路產(chǎn)業(yè)的核心突破方向，正以三維集成理念重構(gòu)電子系統(tǒng)的構(gòu)建邏輯。

該技術(shù)通過垂直堆疊與異構(gòu)集成，在有限物理空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多芯片、無源器件及MEMS/光電器件的高度協(xié)同，突破傳統(tǒng)單片集成制程瓶頸。

本文分述如下：

系統(tǒng)級封裝進(jìn)展簡述

系統(tǒng)級芯片SOC

系統(tǒng)級封裝SiP

晶粒軟膜構(gòu)裝COF

MEMS封裝

板級立體組裝

系統(tǒng)級封裝進(jìn)展簡述

2025年數(shù)據(jù)顯示，中國先進(jìn)封裝市場規(guī)模已突破1100億元，占全球比例超25%，其中系統(tǒng)級封裝（SiP）與2.5D/3D封裝增速分別達(dá)23%與20.9%，成為驅(qū)動(dòng)增長的雙引擎。

技術(shù)演進(jìn)呈現(xiàn)三大特征：空間維度上，3D TSV技術(shù)實(shí)現(xiàn)芯片間微米級垂直互連，如華為海思通過多層堆疊使芯片體積縮小40%而性能提升30%；效率維度上，倒裝芯片與混合鍵合技術(shù)將信號傳輸延遲降低60%，能效比提升35%；系統(tǒng)維度上，Chiplet標(biāo)準(zhǔn)化推動(dòng)異構(gòu)集成成本下降30%，長電科技XDFOI平臺實(shí)現(xiàn)20μm間距微縮，通富微電VISionS技術(shù)攻克2.5D中介層量產(chǎn)難題。

產(chǎn)業(yè)生態(tài)呈現(xiàn)“設(shè)計(jì)-制造-封裝”三角重構(gòu)特征，臺積電CoWoS平臺占據(jù)AI芯片封裝超60%市場份額，而中國產(chǎn)業(yè)鏈通過“長三角200公里封裝產(chǎn)業(yè)帶”形成材料-設(shè)備-制造的完整配套，封裝基板國產(chǎn)化率突破40%，關(guān)鍵材料如ABF載板本地供應(yīng)比例達(dá)55%。

未來趨勢聚焦三大方向：智能封裝通過集成傳感器與自適應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)熱管理與性能調(diào)節(jié)，如英特爾Foveros Direct技術(shù)實(shí)現(xiàn)10μm凸點(diǎn)間距；標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程加速，UCIe規(guī)范推動(dòng)Chiplet全球互連，長電科技XDFOI方案已支持國產(chǎn)CPU芯粒集成；環(huán)保維度則聚焦玻璃基板替代，其10層RDL布線與80%熱膨脹系數(shù)匹配度提升，為3D封裝提供可持續(xù)解決方案。

此等技術(shù)革新不僅重塑半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)格局，更在6G通信、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、可植入醫(yī)療設(shè)備等新興領(lǐng)域開辟萬億級市場空間，成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代硬件創(chuàng)新的基石。

系統(tǒng)級芯片SOC

系統(tǒng)級芯片（SOC）作為集成電路領(lǐng)域的技術(shù)巔峰，正以“單芯多能”的特性重塑電子系統(tǒng)架構(gòu)。其核心價(jià)值在于將中央處理器（CPU）、數(shù)字信號處理器（DSP）、圖形處理器（GPU）、存儲控制器、高速接口及專用邏輯單元等核心功能模塊集成于單一硅片，通過片上系統(tǒng)（On-Chip）互連實(shí)現(xiàn)高帶寬、低延遲的協(xié)同運(yùn)算，滿足網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器千兆級數(shù)據(jù)處理、電信基站多模態(tài)信號轉(zhuǎn)換、5G/6G基站毫米波通信及高性能計(jì)算（HPC）的嚴(yán)苛需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)層面，先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)（如5nm及以下）與三維堆疊技術(shù)的融合，使SoC在10mm×10mm級晶圓上集成超200億晶體管，配合倒裝芯片（Flip Chip）BGA封裝及700+焊球陣列，實(shí)現(xiàn)信號傳輸密度提升40%而功耗降低30%。然而，工藝兼容性瓶頸仍存——SiGe、GaAs與CMOS工藝的互斥性，限制了異構(gòu)射頻前端與數(shù)字基帶的單片集成，促使業(yè)界探索硅基異構(gòu)集成方案。

未來趨勢聚焦三大方向：一是工藝協(xié)同創(chuàng)新，如三星2nm GAA工藝與背面供電（BSPD）技術(shù)結(jié)合，提升SOC能效比；二是標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)，UCIe 2.0規(guī)范支持Chiplet級SoC互連，實(shí)現(xiàn)跨工藝、跨節(jié)點(diǎn)的模塊化設(shè)計(jì)；三是可持續(xù)封裝，玻璃基板替代有機(jī)基板，其100μm級通孔與低熱膨脹系數(shù)（CTE）匹配，為高密度SoC提供更優(yōu)散熱與可靠性保障。此等技術(shù)演進(jìn)不僅推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)向“更小、更快、更智能”方向發(fā)展，更在邊緣計(jì)算、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴醫(yī)療設(shè)備等新興領(lǐng)域催生萬億級市場機(jī)遇，成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代硬件創(chuàng)新的戰(zhàn)略支點(diǎn)。

系統(tǒng)級封裝SiP

系統(tǒng)級封裝（SiP）作為三維集成技術(shù)的核心載體，正以“異構(gòu)協(xié)同”理念重構(gòu)電子系統(tǒng)的構(gòu)建范式，在無線通信、消費(fèi)電子及新興智能終端領(lǐng)域展現(xiàn)出不可替代的戰(zhàn)略價(jià)值。其本質(zhì)是通過晶圓級堆疊、基板嵌入式集成及混合互連技術(shù)，將CPU、DSP、存儲器、射頻前端、MEMS傳感器及無源器件等模塊整合于單一封裝體內(nèi)，突破單片集成工藝壁壘，實(shí)現(xiàn)高頻高速、低功耗與高密度的系統(tǒng)級功能集成。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)層面，SiP的靈活性體現(xiàn)在多維異構(gòu)集成能力——通過晶片堆疊（如TSV垂直互連）可實(shí)現(xiàn)10μm級芯片間距，配合倒裝芯片（Flip Chip）與引線鍵合（Wire Bonding）的混合互連，既滿足GHz級高頻RF模塊（如GaAs功率放大器與CMOS基帶芯片的集成）的信號完整性要求，又適配低頻數(shù)字模塊的成本敏感需求；基板選擇則涵蓋高性能ABF載板（支持20μm線寬/間距）與常規(guī)CSP基片，前者在AI計(jì)算模塊中實(shí)現(xiàn)HBM內(nèi)存與GPU的2.5D互連，后者則在消費(fèi)級TWS耳機(jī)中完成藍(lán)牙SoC與電源管理芯片的緊湊集成。

在5G通信領(lǐng)域，村田制作所采用嵌入式基板技術(shù)的SiP模組，將PA、LNA、濾波器及雙工器集成于3.5mm×3.5mm封裝內(nèi)，滿足Sub-6GHz頻段毫米波前端的小型化需求；在AIoT邊緣端，聯(lián)發(fā)科Filogic系列SiP通過異構(gòu)集成CPU、NPU、Wi-Fi 6/6E基帶及電源管理單元，實(shí)現(xiàn)單芯片支持智能家居網(wǎng)關(guān)的復(fù)雜計(jì)算任務(wù)；醫(yī)療可穿戴設(shè)備中，美敦力采用生物兼容封裝與低功耗設(shè)計(jì)的SiP傳感器，集成ECG、PPG及溫度監(jiān)測功能，體積縮減至傳統(tǒng)方案60%而續(xù)航提升40%。

未來趨勢聚焦三大創(chuàng)新方向：一是工藝標(biāo)準(zhǔn)化，UCIe 2.0規(guī)范推動(dòng)Chiplet級SiP互連，實(shí)現(xiàn)跨工藝、跨節(jié)點(diǎn)的模塊化設(shè)計(jì)；二是材料革新，玻璃基板替代有機(jī)基板，其100μm級通孔與低熱膨脹系數(shù)（CTE）匹配，為高密度SiP提供更優(yōu)散熱與可靠性保障；三是智能封裝，集成溫度傳感器與自適應(yīng)算法，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)熱管理與性能調(diào)節(jié)，如英特爾Foveros Direct技術(shù)在SiP中嵌入熱敏電阻，動(dòng)態(tài)調(diào)整工作頻率以優(yōu)化能效比。此等技術(shù)演進(jìn)不僅推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)向“更小、更快、更智能”方向發(fā)展，更在6G原型驗(yàn)證、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)及植入式醫(yī)療設(shè)備等前沿領(lǐng)域開辟萬億級市場空間，成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代硬件創(chuàng)新的戰(zhàn)略支點(diǎn)。

晶粒軟膜構(gòu)裝COF

晶粒軟膜構(gòu)裝（COF）作為柔性電子封裝的標(biāo)桿技術(shù)，正以“剛?cè)岵?jì)”的集成理念重塑顯示與智能終端的物理邊界。該技術(shù)通過將芯片直接貼裝于柔性聚酰亞胺（PI）基材，實(shí)現(xiàn)高密度互連與三維立體布線，突破傳統(tǒng)玻璃基板（CoG）在面板邊緣走線密度與分辨率的限制——相同尺寸面板下，COF方案可擴(kuò)展超30%的像素密度，支撐4K/8K超高清顯示及窄邊框設(shè)計(jì)，成為LED/OLED顯示模組、可折疊手機(jī)及車載HUD的核心封裝方案。

技術(shù)演進(jìn)呈現(xiàn)三大創(chuàng)新維度：材料層面，新型低溫固化膠粘劑與高延伸率PI薄膜的應(yīng)用，使COF在-40℃至125℃寬溫域下保持99.9%的連接可靠性，滿足汽車級AEC-Q100認(rèn)證；工藝層面，激光微孔成型與電鍍銅柱技術(shù)實(shí)現(xiàn)15μm級線寬/間距，配合倒裝芯片（Flip Chip）鍵合，使單顆芯片引腳密度提升40%而厚度縮減至0.3mm以下；系統(tǒng)集成層面，COF與嵌入式無源器件（如薄膜電容、電阻）的一體化封裝，在TWS耳機(jī)、智能手表等緊湊空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)電源管理、觸控傳感及射頻前端的協(xié)同集成，如蘋果AirPods Pro 2即采用COF-SIP混合封裝，體積縮減20%而功能密度提升35%。

在顯示領(lǐng)域，京東方8.5代COF生產(chǎn)線支持Mini LED背光模組量產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)2000分區(qū)局部調(diào)光；在車載電子中，天馬微電子采用COF封裝的曲面屏HUD，在150℃高溫環(huán)境下保持85%透光率與170°廣視角；醫(yī)療可穿戴方面，華米科技基于COF的ECG貼片，集成生物電極與信號處理芯片，實(shí)現(xiàn)心電信號采集精度達(dá)醫(yī)療級ECG-12標(biāo)準(zhǔn)。

未來趨勢聚焦三大方向：一是超薄化，通過玻璃基轉(zhuǎn)印技術(shù)與納米壓印工藝，實(shí)現(xiàn)50μm級超薄COF制造；二是智能化，集成溫度/壓力傳感器與自適應(yīng)算法，動(dòng)態(tài)調(diào)整封裝應(yīng)力與信號傳輸；三是可持續(xù)化，采用可回收PI基材與無鉛焊料，滿足歐盟RoHS 3.0及REACH法規(guī)要求。此等技術(shù)革新不僅推動(dòng)顯示產(chǎn)業(yè)向“更薄、更柔、更智能”演進(jìn)，更在元宇宙終端、柔性機(jī)器人皮膚及生物醫(yī)療植入等前沿領(lǐng)域開辟增量市場，成為柔性電子時(shí)代硬件創(chuàng)新的基石。

MEMS封裝

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）封裝技術(shù)作為連接微納器件與系統(tǒng)應(yīng)用的橋梁，正以“高精度、高可靠、高集成”為核心演進(jìn)方向，在醫(yī)療、汽車、工業(yè)等領(lǐng)域的精密感知需求驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)多維突破。

技術(shù)革新層面，三維集成與材料創(chuàng)新成為雙引擎。多光子光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)納米級分辨率三維微結(jié)構(gòu)直寫，如壓阻式加速度計(jì)通過飛秒激光三維直寫完成從設(shè)計(jì)到制造的2.5小時(shí)全流程，性能媲美傳統(tǒng)數(shù)月迭代方案；晶圓級真空鍵合技術(shù)通過低溫陽極鍵合（350℃/600V）與鈦吸氣劑活性保持，實(shí)現(xiàn)硅-玻璃鍵合腔體壓力穩(wěn)定在5mTorr以下，配合梯度退火工藝通過3000次，-40℃~125℃熱循環(huán)測試，解決傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂封裝的氣密性瓶頸。鍵合工藝方面，Au-Sn共晶鍵合通過瞬態(tài)液相擴(kuò)散技術(shù)填補(bǔ)0.5μm級表面粗糙度，鍵合強(qiáng)度達(dá)50MPa以上，配合0.8mm鍵合環(huán)寬度實(shí)現(xiàn)10??atm·cc/s級漏率標(biāo)準(zhǔn)，適配陀螺儀、壓力傳感器等對真空環(huán)境的嚴(yán)苛需求；而引線鍵合通過反向拱絲工藝壓縮線弧高度至50μm，結(jié)合動(dòng)態(tài)壓力反饋系統(tǒng)將鍵合定位誤差控制在±1μm，良率提升至99.2%，滿足5G通信器件0.5mm超薄封裝要求。

產(chǎn)業(yè)生態(tài)呈現(xiàn)“設(shè)計(jì)-制造-封裝”垂直整合趨勢。中國長三角地區(qū)形成完整產(chǎn)業(yè)鏈集群，封裝基板國產(chǎn)化率突破40%，關(guān)鍵材料如ABF載板本地供應(yīng)比例達(dá)55%；行業(yè)聯(lián)盟推動(dòng)MIPI傳感器接口規(guī)范統(tǒng)一，UCIe 2.0標(biāo)準(zhǔn)支持Chiplet級MEMS互連，實(shí)現(xiàn)跨工藝、跨節(jié)點(diǎn)模塊化設(shè)計(jì)；智能化封裝方面，集成溫度/壓力傳感器與自適應(yīng)算法，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)封裝應(yīng)力與信號傳輸，如英特爾Foveros Direct技術(shù)實(shí)現(xiàn)10μm凸點(diǎn)間距，配合嵌入式無源器件實(shí)現(xiàn)電源管理、觸控傳感一體化集成。未來，隨著玻璃基板替代有機(jī)基材（100μm級通孔與低熱膨脹系數(shù)匹配）、納米銀焊膏低溫鍵合（150℃以下避免生物蛋白損傷）等技術(shù)的突破，MEMS封裝將從“保護(hù)性封裝”向“功能增強(qiáng)型封裝”躍遷，在元宇宙光波導(dǎo)掃描、人形機(jī)器人柔性感知、綠色能源微流控等新興領(lǐng)域開辟萬億級增量市場，成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代精密感知的核心基礎(chǔ)設(shè)施。

板級立體組裝

板級立體組裝作為三維電子系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)路徑，正以“空間重構(gòu)”理念突破傳統(tǒng)二維PCB布線局限，在高鐵控制模塊、5G基站陣列、數(shù)據(jù)中心冷板系統(tǒng)等高密度、高性能場景中展現(xiàn)核心價(jià)值。其本質(zhì)是通過垂直互連、凸點(diǎn)連接及側(cè)向鍵合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多塊PCB模塊在三維空間中的精準(zhǔn)堆疊與電氣-機(jī)械協(xié)同，在有限物理空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)信號傳輸密度提升30%—50%，同時(shí)降低系統(tǒng)熱阻與信號延遲。

技術(shù)演進(jìn)呈現(xiàn)三大創(chuàng)新維度：材料層面，納米銀漿低溫?zé)Y(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)150℃以下互連，避免傳統(tǒng)焊料導(dǎo)致的熱應(yīng)力損傷，配合石墨烯散熱涂層使模塊熱阻降低40%，適配高鐵IGBT模塊的高溫運(yùn)行需求；工藝層面，3D打印PCB技術(shù)通過光固化成型實(shí)現(xiàn)50μm級線寬/間距，配合激光微孔成型與電鍍銅柱技術(shù)，實(shí)現(xiàn)垂直互連層間通孔的100%良率，如中興通訊5G基站模塊通過該技術(shù)實(shí)現(xiàn)6層PCB堆疊，信號傳輸延遲降低至2ps/cm；系統(tǒng)集成層面，嵌入式無源器件（如薄膜電容、電阻）與有源芯片的一體化封裝，在單模塊內(nèi)集成電源管理、射頻前端及數(shù)字處理功能，如華為數(shù)據(jù)中心硅光引擎通過板級立體組裝實(shí)現(xiàn)光模塊與CPU的垂直互連，帶寬密度提升50%而功耗降低30%。

未來趨勢聚焦三大方向：一是智能化制造，通過數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)板級立體組裝的虛擬仿真與實(shí)時(shí)優(yōu)化，如西門子NX軟件支持3D PCB布線與熱管理協(xié)同設(shè)計(jì)；二是標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)，IPC-4101規(guī)范推動(dòng)板級立體組裝材料與工藝的統(tǒng)一，UCIe 3.0標(biāo)準(zhǔn)支持跨模塊、跨節(jié)點(diǎn)的互連設(shè)計(jì)；三是可持續(xù)化，采用可回收PCB基材與無鉛焊料，滿足歐盟RoHS 3.0及REACH法規(guī)要求。此等技術(shù)革新不僅推動(dòng)電子制造產(chǎn)業(yè)向“更密、更快、更綠”方向發(fā)展，更在6G原型驗(yàn)證、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)及綠色能源微電網(wǎng)等前沿領(lǐng)域開辟萬億級增量市場，成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代硬件創(chuàng)新的戰(zhàn)略支點(diǎn)。