北國咨觀點 | 集成電路技術(shù)演進與范式融合系列研究之五——后摩爾時代3D?IC發(fā)展瓶頸亟待系統(tǒng)性突破
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北京國際工程咨詢有限公司
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2026-06-15
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3D?IC（三維集成電路）架構(gòu)可以在垂直尺度上將多個同質(zhì)和異質(zhì)的小芯片/裸片整合在同一設(shè)計中，使芯片在更小的區(qū)域面積下添加更多功能、提高單位性能、提升設(shè)計靈活性并降低開發(fā)成本。在如今摩爾定律逐漸逼近物理極限的情況下，3D?IC被認(rèn)為具有“超越摩爾定律”的潛力，有望成為后摩爾時代下突破性能、功耗與集成密度等方面瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)。
一、3D?IC的市場背景
（一）技術(shù)方面，3D封裝和3D堆疊設(shè)計高度協(xié)同
3D?IC技術(shù)路線以3D先進封裝為“連接橋梁”，以3D堆疊設(shè)計為“骨架支撐”。其中，3D封裝打破平面局限，通過垂直互連大幅縮短傳輸距離，降低延遲與功耗，提升算力密度，是發(fā)揮多裸片集成優(yōu)勢的前提；3D堆疊設(shè)計則通過精準(zhǔn)規(guī)劃裸片順序、層間距及互連點位，兼顧熱管理、信號完整性與機械可靠性，保障芯片整體性能。堆疊設(shè)計需提前考量封裝工藝的可行性、互連密度極限與熱管理適配性，封裝技術(shù)則需精準(zhǔn)匹配堆疊設(shè)計的核心需求，通過工藝優(yōu)化落地設(shè)計預(yù)期。二者同頻發(fā)力才能突破集成瓶頸，為算力芯片的高性能、小型化發(fā)展提供堅實支撐。
（二）國際布局方面，各國紛紛加碼爭奪技術(shù)主導(dǎo)權(quán)
歐美等發(fā)達國家正通過排他性產(chǎn)業(yè)政策，集中頂尖科研力量與資本，對三維堆疊、先進封裝等相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)投入，意圖在下一代算力架構(gòu)中建立排他性的技術(shù)壁壘，掌握主導(dǎo)權(quán)。如歐洲以《歐洲芯片法案》為核心，重點建設(shè)3D異構(gòu)先進封裝試驗線，IMEC聯(lián)合企業(yè)發(fā)布混合鍵合技術(shù)路線圖，目標(biāo)2027年實現(xiàn)1μm以下銅－銅直接鍵合間距；美國出臺《芯片與科學(xué)法案》支持先進封裝生態(tài)建設(shè)，其中專項撥款16億美元發(fā)展芯片封裝技術(shù)；韓國在“K-半導(dǎo)體戰(zhàn)略”框架下設(shè)立2.5D/3D封裝專項基金，規(guī)劃2027年將TSV工藝良率提升至99.5%以上。
（三）市場競爭方面，國際巨頭搶灘異構(gòu)集成新高地
在3D?IC走向大規(guī)模商用的臨界點，臺積電、英特爾和三星正爭分奪秒地交付完整3D芯片的所有基礎(chǔ)組件。臺積電以CoWoS和SoIC為核心，布局分層封裝生態(tài)，強調(diào)先進封裝與晶體管技術(shù)并行發(fā)展，目標(biāo)是通過密集堆疊將SRAM、HBM、邏輯模塊緊耦合，解決數(shù)據(jù)流通瓶頸，釋放AI芯片的計算效率。英特爾注重構(gòu)建“高緩存+高帶寬”的堆疊結(jié)構(gòu)，以解決“計算－內(nèi)存－帶寬”協(xié)同瓶頸，將EDA、設(shè)計、封裝、封測貫穿一體，推出的Foveros?Direct技術(shù)強調(diào)高密度堆疊和面向SRAM的垂直集成布局。三星在內(nèi)存堆疊和熱管理領(lǐng)域積累深厚，其以HBM的垂直整合能力為起點，逐步向系統(tǒng)級堆疊推進，其路徑更強調(diào)邏輯-內(nèi)存協(xié)同設(shè)計。
二、3D?IC的價值
一是提升帶寬。3D?IC可通過模塊切分并垂直堆疊，降低模塊間全局互聯(lián)長度，減少互聯(lián)線延遲與互聯(lián)信號和時鐘網(wǎng)絡(luò)上引入的功耗與面積，同時垂直相比水平互聯(lián)拓寬了繞線資源，提升了模塊間可容許的互聯(lián)帶寬。二是緩解內(nèi)存墻。通過3D切分，將緩存、主存從原有的2D芯片互聯(lián)中獨立出來，與邏輯運算芯片垂直堆疊，物理上提升邏輯到內(nèi)存互聯(lián)帶寬，打破2D場景下緩存容量限制，緩解內(nèi)存墻問題。三是小型化。通過擴展維度，實現(xiàn)芯片垂直互聯(lián)，可以提高集成密度，降低芯片外形尺寸。3D?IC互聯(lián)工藝還會對硅晶圓背面進行減薄，總體厚度相比于封裝級三維堆疊顯著降低。四是異構(gòu)集成。3D?IC允許不同工藝技術(shù)下制造的電路層合并在一起，使得邏輯電路、存儲器、傳感器等可以集成在單一的芯片上，促進系統(tǒng)級的集成。
三、我國發(fā)展3D?IC面臨的主要問題
（一）技術(shù)瓶頸亟待解決
一是熱管理問題。異構(gòu)集成中邏輯單元與存儲單元間的功耗差異造成了熱點的局部聚集，此外，堆疊結(jié)構(gòu)延長了熱傳導(dǎo)路徑，而不同封裝材料間導(dǎo)熱能力的巨大差異進一步加劇了熱阻塞，使得熱流密度急劇增加，傳統(tǒng)散熱路徑已接近極限。二是良率控制難題。硅通孔內(nèi)部的空洞缺陷、混合鍵合所要求的亞微米級對準(zhǔn)精度，以及大尺寸基板在加工過程中的翹曲變形等問題導(dǎo)致良率降低。三是標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)尚未建立。3D?IC芯片間互連標(biāo)準(zhǔn)尚處于早期階段，例如UCIe、BoW和AIB，其成熟度遠低于DDR或PCIe等既有協(xié)議，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)碎片化問題已顯著制約整體設(shè)計效率提升。
（二）產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同機制薄弱
3D?IC高度依賴設(shè)計與制造的深度協(xié)同（DTCO），而國內(nèi)目前尚未形成類似臺積電“3DFabric”緊密綁定的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)間缺乏深度聯(lián)動的協(xié)同研發(fā)與驗證機制。設(shè)計企業(yè)難以獲得代工廠的早期工藝支持，封測廠在介入前端設(shè)計時往往滯后，各廠商在數(shù)據(jù)格式、工藝庫和驗證流程上難以互通，導(dǎo)致產(chǎn)品定義與制造工藝脫節(jié)，嚴(yán)重阻礙了異構(gòu)集成的效率與可靠性，整體產(chǎn)業(yè)合力不足。
（三）供應(yīng)鏈自主可控受限
一是EDA領(lǐng)域，傳統(tǒng)2D工具難以適配3D復(fù)雜層間互連與多物理場仿真需求，海外巨頭構(gòu)筑技術(shù)與生態(tài)壁壘，國產(chǎn)工具底層技術(shù)攻關(guān)難度大，且與先進代工廠兼容性不足。二是設(shè)備領(lǐng)域，混合鍵合、刻蝕、高精度貼裝等核心設(shè)備及關(guān)鍵零部件高度依賴海外廠商，國產(chǎn)設(shè)備精度與穩(wěn)定性差距顯著，整體產(chǎn)業(yè)化成熟度偏低。三是材料領(lǐng)域，高端載板、鍵合膠、光刻膠等核心材料進口依存度高，自給率不足，斷供風(fēng)險突出。四是關(guān)鍵工藝領(lǐng)域，超高密度互連、晶圓級3D堆疊、微觀物理效應(yīng)控制等方面與國際先進水平存在代差，疊加外部技術(shù)管制進一步加劇了供應(yīng)鏈安全風(fēng)險。
四、對我國發(fā)展3D?IC的相關(guān)建議
（一）技術(shù)攻關(guān)與標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)系統(tǒng)突破
散熱方面，堅持設(shè)計前置優(yōu)化芯片布局結(jié)構(gòu)，同時加快推廣銦箔、石墨烯、液態(tài)金屬等新型高熱導(dǎo)界面材料，布局硅片與中介層微流體散熱架構(gòu)，縮短熱傳導(dǎo)路徑、緩解堆疊熱阻塞問題。良率提升方面，優(yōu)化TSV電鍍填充與退火工藝消除空洞缺陷，推行已知合格芯片堆疊模式規(guī)避整片晶圓失效風(fēng)險，通過調(diào)整金屬化參數(shù)管控器件應(yīng)力與基板翹曲，全面提升異構(gòu)集成制造良率。標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)方面，加快完善3D?IC接口協(xié)議、堆疊規(guī)范及測試驗證全鏈條標(biāo)準(zhǔn)，推進工藝工具認(rèn)證與制造適配，破解行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)碎片化難題，持續(xù)提升整體設(shè)計與產(chǎn)業(yè)化效率。
（二）構(gòu)建全產(chǎn)業(yè)鏈深度協(xié)同生態(tài)
著力打破行業(yè)壁壘，對標(biāo)先進模式打造本土化協(xié)同生態(tài)，健全設(shè)計、晶圓制造、封測一體化聯(lián)動機制。重構(gòu)商業(yè)模式，推動代工廠、設(shè)計公司與封測廠建立DTCO深度協(xié)同研發(fā)體系，引導(dǎo)代工廠提前向設(shè)計企業(yè)開放前沿工藝研發(fā)資源，將封測環(huán)節(jié)前置到芯片設(shè)計階段，打通產(chǎn)業(yè)鏈上下游的數(shù)據(jù)和技術(shù)互通壁壘，彌合產(chǎn)品設(shè)計與制造工藝之間的脫節(jié)問題，大幅縮短從設(shè)計到量產(chǎn)的迭代周期，凝聚產(chǎn)業(yè)整體合力。
（三）全面強化供應(yīng)鏈自主可控水平
集中產(chǎn)學(xué)研力量攻堅3D?IC專用EDA底層算法與仿真架構(gòu)，打通國產(chǎn)工具與先進制程PDK適配通道，助力本土EDA產(chǎn)業(yè)生態(tài)突破海外壁壘；布局核心裝備及核心零部件研發(fā)，建立設(shè)備示范應(yīng)用與迭代驗證機制，持續(xù)縮小國產(chǎn)設(shè)備在精度、穩(wěn)定性上的差距，提升產(chǎn)業(yè)化落地能力；加大關(guān)鍵3D?IC材料研發(fā)投入與產(chǎn)能建設(shè)，完善材料國產(chǎn)化替代體系，有效降低進口依存度與供應(yīng)鏈斷供風(fēng)險；強化前沿工藝技術(shù)攻關(guān)，深化設(shè)計、制造、封測產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同聯(lián)動，主動應(yīng)對外部技術(shù)管制，筑牢3D?IC全產(chǎn)業(yè)鏈安全屏障。
參考文獻
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[2]陳昊,謝業(yè)磊,龐健,等.3D?IC系統(tǒng)架構(gòu)概述[J].中興通訊技術(shù),2024,30(S1):76-83.
[3]盧林紅.3D?IC中三維銅互連結(jié)構(gòu)及其可靠性研究[D].貴州大學(xué),2025.DOI:10.27047/d.cnki.ggudu.2025.002267.
作者介紹
王美惠
中級經(jīng)濟師
長期專注科技創(chuàng)新、集成電路領(lǐng)域，參與多項政府、企業(yè)等相關(guān)課題研究與項目咨詢工作。
編輯：張 華?
審核：趙佳菲?