随着集成电路设计复杂度的不断提升和终端应用对性能、功耗、尺寸等多方面要求的日益严苛，传统的2D封装技术已经难以满足市场的需求。根据IDC在2025年初发布的数据，当前主流芯片的晶体管密度增长已经明显放缓，从2022年到2024年，7nm工艺节点的晶体管密度仅提升了约8%。这一现象表明摩尔定律正面临严峻挑战。在此背景下，芯片3D堆叠封装技术应运而生，成为半导体技术发展的新里程碑。 芯片3D堆叠封装，顾名思义，是将多个芯片在垂直方向上进行堆叠，并通过先进的互连技术实现它们之间的电气连接。这一技术的出现，是半导体行业对更高集成度、更小封装尺寸、更低功耗以及更高性能的不懈追求的结果。 在传统的2D封装中，芯片通常被平铺在基板或封装载体上，通过金丝键合、倒装芯片焊接等方式实现电气连接。然而，随着芯片尺寸的不断缩小和集成度的不断提高，2D封装技术面临着越来越多的挑战。首先，封装尺寸的缩小受到了物理极限的限制；其次，随着芯片数量的增加，互连线的长度和复杂度也在不断增加，导致信号传输的延迟和功耗上升；最后，2D封装在热管理方面也存在一定的局限性。 芯片3D堆叠封装技术的出现，有效地解决了上述问题。通过垂直堆叠多个芯片，可以在有限的空间内实现更高的集成度，从而满足终端应用对高性能和多功能的需求。同时，3D堆叠使得芯片之间的互连线长度大大缩短，降低了信号传输的延迟和功耗。此外，由于芯片在垂直方向上堆叠，可以有效地分散热量，提高封装的热性能。此外，芯片3D堆叠封装技术具有高度的灵活性和可扩展性。可以根据不同的应用需求，灵活地选择堆叠的芯片类型和数量。 虽然有诸多优势，但芯片3D堆叠封装技术的实现却并非易事，需要克服诸多技术难题和挑战。包括： 互连技术实现芯片之间的电气连接是芯片3D堆叠封装技术的关键。传统的金丝键合、倒装芯片焊接等方式在3D堆叠封装中面临着诸多限制。因此，需要开发新的互连技术，如硅通孔（TSV）、微凸点连接等，以实现芯片之间的高效、可靠连接。热管理技术虽然芯片3D堆叠封装技术具有优异的热性能，但在高密度堆叠的情况下，热量仍然是一个需要重点关注的问题。因此，需要开发更高效的热管理技术，如热界面材料、散热片等，以确保芯片在工作过程中的温度稳定。测试与可靠性芯片3D堆叠封装技术的复杂性和高密度使得测试和可靠性成为了一个重要的挑战。需要开发新的测试方法和设备，以确保封装体的质量和可靠性。同时，还需要对封装体进行长期的可靠性评估，以确保其在各种环境下的稳定工作。成本与制造芯片3D堆叠封装技术的制造成本相对较高，主要是由于其复杂的制造流程和高精度的要求。因此，需要不断优化制造工艺和降低制造成本，让芯片3D堆叠封装技术能够更广泛地应用于实际产品中。 从产业链角度看，3D封装技术的成熟将带来巨大影响。据Gartner预测，到2025年底，全球3D封装芯片市场规模将达到187亿美元，年增长率超过25%。这一技术路线将重塑整个半导体产业链，从设计、制造到测试、封装各环节都需要相应调整。 其中EDA工具的配合也是必须的，它决定着所有的功能和性能是否能够真正在最终的芯片产品中实现。目前国际3家头部EDA企业均有针对3D堆叠芯片设计的一些工具支持，而反观本土EDA企业专门做3D堆叠芯片设计的全流程设计工具还比较少，有些企业可提供针对3D堆叠芯片仿真环节的部分点工具，但涉及到布局布线、多芯片验证、Multi-Die DFT测试等工具，国内仍存在较大空白。 “因为从2D芯片封装到3D封装，整个设计方法论完全不同。”近日，在苏州举办的第五届中国集成电路设计创新大会暨IC应用生态展（ICDIA 2025）上，珠海硅芯科技创始人赵毅提到。
珠海硅芯科技创始人赵毅
据赵毅介绍，自2008年成立以来就锚定先进封装领域全流程EDA设计工具的硅芯科技，目前已具备针对3D堆叠芯片后端设计的完整EDA工具产品组合3Sheng Integration Platform，包括3Sheng Zenith顶层架构设计、3Sheng Ranger物理设计、3Sheng Ocean Multi-die测试容错、3Sheng Volcano分析仿真和3Sheng Stratify多Chiplet集成验证工具。可实现从3D堆叠芯片的顶层架构设计到版图规划、布局布线，以及Multi-die DFT测试和分析仿真等功能。
和2D封装完全不同的设计方法论
首先，在2D封装中可持续性设计不被重视，因为对制造良率的影响有限，但到了3D堆叠封装里，因为工艺不同出现了硅酸孔和微凸起的缺陷，需要通过芯片的自动测试来解决这些可能出现的底层缺陷从而确保良率，同时3D堆叠芯片的测试是针对整个队列芯片的系统测试，跟2D技术也存在本质不同，这让Multi-die DFT测试的重要性突显出来。 其次，从布局布线的角度，从2D到2.5D再到3D堆叠芯片的布局布线要考量的底层逻辑完全不同。3D堆叠芯片层与层之间现有硅穿孔的数量可以达到1万多个，布局布线解决的问题就是找到所有模块单元的最优位置解，这在2D芯片里是没有的，两层之间就有1万多个，三层就有几万个，如果排列组合一下，这是个天文数字的解空间，可见3D堆叠芯片在布局布线方面的复杂程度。 此外，为解决先进封装多芯片集成的系统设计和制造问题，也出现了STCO即系统工艺协同优化的概念，因为从未来Chiplet的设计实现来看，是要将SoC大芯片拆分成多个芯粒，而如何合理的拆分这些IP模块，最终能实现一个最佳数据流和能效比的产品，这就需要顶层架构设计规划的工具来配合，“等到仿真出现问题的时候才发现系统规划的不合理重新回去调整设计就已经来不及了，考虑到3D堆叠芯片设计中这种仿真前移的需求，硅芯首创了顶层架构设计工具。”赵毅介绍，“很多客户都在试用，因为这是第一个环节，架构做不好，你后面一步错步步错。” “硅芯是国内极少数可满足3D堆叠芯片后端设计5大板块EDA工具需求的。”赵毅强调。 据悉，硅芯当前主要客户为封装厂和军工芯片企业，“以硅芯现在的规模，我们还是要服务好大客户，占据市场份额。“谈到3D堆叠EDA工具可能的市场空间时，赵毅表示，“本土EDA企业当下部署3D堆叠EDA工具，其价值不能仅看短期的市场空间和商业价值，也要看给国内EDA产业未来发展带来的价值，我们能够卡位先进封装的工具链，填补国内EDA工具的空白，这也是对本土EDA和集成电路产业长足发展的一种贡献和价值体现。”
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