文章核心观点 - 异构集成是一种将多种类型组件（如逻辑芯片、存储器、传感器、光子学和射频模块）组合到紧凑系统中的先进封装技术，通过单独制造和系统级集成实现小型化、高性能和成本效益 [1] - 该技术正被半导体、消费电子、医疗、汽车、国防等行业广泛采用，以突破性能极限并满足特定应用需求 [23][24][25][26][27] - 势银（TrendBank）计划于2025年11月17-19日举办异质异构集成年会，聚焦多材料异质异构集成、光电融合等核心技术，推动产业创新与应用 [27] 异构集成的重要性 - 通过将多个组件组合到单个芯片中减少设备外形尺寸而不影响性能，满足现代设备对更小但功能更强大电子设备的需求 [2] - 将优化的单个组件（如射频模块和存储器）整合到系统封装中，提高数据速度和系统吞吐量，这对人工智能和5G系统中高性能计算至关重要 [3] - 单独优化每个功能可降低整体功耗，最小化信号传播距离带来的功率损耗，这对电池供电的消费设备和数据中心至关重要 [4] - 允许工程师将氮化镓、集成光子学和其他特殊组件结合起来，使集成要求能够适应不同的用例 [5] - 使用倒装芯片和引线键合等先进封装技术进行长期生产可以降低制造和组装成本，尽管初始设置很复杂 [6] 异构集成工作流程 - 每个器件（CPU、GPU、内存等）使用最合适的工艺（如CMOS、GaN）单独制造，提高产量并允许定制 [8] - 组件安装在中介层（无源硅或有机基板）上，中介层以电气和机械方式连接芯片同时最小化延迟 [9] - 组件间连接使用引线键合、倒装芯片或硅通孔（TSV），确保高带宽的超快速信号传输 [10] - 添加热界面材料和信号屏蔽层处理热量并减少干扰，确保系统级可靠性 [11] - 集成单元封装在满足环境和机械需求的保护封装中，形成强大的封装或晶圆级封装系统 [12] 关键组件 - 中央处理器（CPU）或片上系统（SoC）提供计算控制，建立在高级节点上以获得更好性能和效率 [13] - DRAM、SRAM和HBM内存单元共同封装用于高速数据访问，减少延迟并提高系统级性能 [14] - 模拟/射频芯片用于无线通信模块，管理5G、雷达和传感器应用中的信号传输和接收 [15] - 集成光子学用于数据中心和人工智能，以光代替电信号传输大量数据 [16] - 电源管理单元确保稳定电力传输同时最小化功耗，对电池供电系统尤其重要 [17] 常用材料 - 硅是用于数字逻辑和存储器的最广泛使用的半导体材料 [18] - 氮化镓（GaN）因其优异的热和电性能用于高速电源和射频元件 [18] - 硅光子学将传统硅与光子电路结合实现片上高速光通信 [20] - 有机基板用于中介层和先进封装以提供灵活性和更低成本 [21] - 铜和金用于制造引线键合、微凸块和互连，实现可靠电接触和散热 [22] 主要方法 - 2.5D集成：多个芯片安装在无源中介层上，提供高密度路由并用于GPU和AI加速器等应用 [23] - 3D集成：模具使用TSV或微凸块垂直堆叠，最小化信号延迟并提高电源效率，用于高端处理器 [23] - 扇出晶圆级封装（FO-WLP）：芯片嵌入重构晶圆中，允许为智能手机和可穿戴设备提供轻薄设计 [23] - 倒装芯片键合：芯片翻转并通过微凸块直接连接到基板上，提供比传统引线键合更好性能 [23] - 系统级封装（SiP）：多个IC封装在一个模块中，常用于智能手表和助听器等消费电子产品 [23] 技术挑战 - 涉及对齐和粘合具有不同热和电性能的材料，可能导致应力和故障 [23] - 当多个大功率芯片密集封装时散热变得复杂 [23] - 信号干扰、缺陷率和互连可靠性构成技术障碍 [23] - 制造良率和测试紧凑型系统需要纳米尺度计量和检测以确保质量和成本效益 [23] 行业应用 - 半导体行业为克服摩尔定律局限性转向先进封装和异构集成以突破性能极限 [23] - 消费电子产品如智能手机、AR/VR耳机和可穿戴设备要求在狭小空间内实现高性能，系统级封装设计实现紧凑而强大解决方案 [24] - 医疗行业植入式和便携式诊断工具需要最小功耗、小尺寸和高可靠性，异构集成都支持这些要求 [25] - 汽车和电动汽车使用激光雷达、雷达、人工智能和传感器融合，所有这些受益于恶劣环境中的多功能芯片封装 [26] - 国防和航空航天需要安全、轻量化和抗辐射系统，通常要求模拟、射频和数字逻辑组件的协同集成 [27]