中介層是什麼?一次看懂半導體先進封裝的關鍵技術

當處理器需要在短時間內交換大量資料,單靠把電晶體做得更小,未必能解決晶片之間的連線瓶頸。先進封裝於是把多顆晶粒放進同一個封裝,並以更密集的連線把它們組成一套系統。這時常聽到的「中介層」(interposer),就是負責承接晶粒、提供細密走線並連接封裝基板的關鍵結構之一。

簡單來說,中介層像是位在晶粒與封裝基板之間的高密度轉接平台。它不是單純的墊片,也不會自行讓晶片運算變快;實際效果取決於走線設計、晶粒配置、電源與散熱、製程良率,以及整個系統的工作負載。評估中介層時,讀者應能看懂它解決哪一段互連問題、帶來哪些成本和工程負擔,以及何時該改用其他封裝架構。

兩顆方形晶粒並排放在帶有細密金屬走線的中介層上,下方可見封裝基板與焊球
兩顆晶粒並排設於細線路中介層上方,下層連接封裝基板;這種層次有助理解 2.5D 封裝的互連位置。

中介層究竟是什麼?

晶粒(die)是從半導體晶圓切割下來、可獨立製造或執行特定功能的裸晶。封裝基板則負責把晶片連接到電路板。兩者之間的尺寸、接點密度和走線需求差異很大:晶粒上的接點可以非常密集,傳統封裝基板的線寬與間距通常較粗。中介層就是用來銜接這些不同尺度的中間布線結構。

在採用矽中介層的 2.5D 封裝中,邏輯晶粒與高頻寬記憶體(HBM)等元件通常並排放置在矽中介層上。中介層表面的金屬重佈線層負責晶粒間的橫向訊號連接;若訊號或電源需要從中介層上側通往下側,則可利用穿矽通孔(TSV,through-silicon via),也就是穿過矽材料並填入導電金屬的垂直連接孔,再連到下方封裝基板。

因此,中介層同時涉及橫向與垂直互連。橫向走線決定晶粒間如何傳資料,TSV 與凸塊等接點則負責上下層連接。不同封裝的實際結構不完全相同:有些使用完整矽中介層,有些則只在需要高密度連線的局部放置矽橋,其他區域由基板或重佈線層完成。

為什麼先進封裝會使用中介層?

讓晶粒間連線更密、更短

當多顆晶粒要互相交換大量資料,連線數量、訊號完整性和路徑長度都會影響系統表現。矽中介層可提供比一般封裝基板更細密的布線,讓相鄰晶粒之間安排更多互連。這對需要和 HBM 大量交換資料的高效能運算(HPC)與人工智慧加速器特別有用。它能為高頻寬設計提供基礎,但頻寬是否足以滿足應用,仍須由實際介面規格、訊號設計與工作負載驗證。

把不同製程的晶粒組成一個封裝

不同功能不一定要全部塞進同一顆大型單晶片。設計者可以把運算、記憶體、輸入輸出或特殊功能拆成小晶片(chiplet),再使用封裝互連整合。每個晶粒可以依用途選擇不同製程,並讓需要高密度連線的元件彼此靠近。這種異質整合(heterogeneous integration)增加了產品設計的彈性,也帶來封裝、測試和晶粒間介面協同設計等額外工作。

台積電的 CoWoS 是一個具體例子。公司將 CoWoS 描述為面向 HPC 的 2.5D 先進封裝,可整合 SoC、小晶片與 HBM;其 CoWoS-S 使用大面積矽中介層。台積電目前的技術頁面指出,CoWoS-S 中介層最高可支援 3.3 倍光罩尺寸,超過該尺寸時則列出 CoWoS-L 或 CoWoS-R 等選項。這是廠商平台的規格說明,不代表所有中介層技術都採相同尺寸或結構。可參考台積電 CoWoS 官方技術頁。

中介層、2.5D 與 3D 封裝有什麼不同?

「2.5D」描述的是一種整合方式:多顆晶粒大致並排放置,再透過中介層上的高密度線路互連。它不是指晶片真的有二點五層,也不等於所有 2.5D 封裝都必須使用完整矽中介層。採用局部矽橋或扇出型重佈線的架構,也能在不同區域提供晶粒互連。

「3D 封裝」則通常指晶粒上下堆疊,以垂直方向互連,例如使用 TSV 或更直接的晶粒對晶粒接合。它縮短垂直連線距離、提高整合密度的同時,也讓散熱、堆疊良率和測試更複雜。有些產品會混合橫向與垂直整合,因此單看「2.5D」或「3D」名稱不一定足以判斷產品的實際結構。

也要避免把中介層和封裝基板混為一談。基板主要把封裝內的訊號與電源導向外部電路板;中介層則常用來支援更細密的晶粒間互連。兩者可同時出現在一個封裝中,各自承擔不同的布線任務。

矽中介層是唯一選擇嗎?

不是。架構選擇要看需要多少高密度互連、整體面積、成本、散熱和製程成熟度。可先比較下列方向:

架構較適合的需求需要留意的限制
完整矽中介層多顆晶粒或 HBM 需要大範圍、高密度互連中介層面積、矽製程成本、TSV 與封裝良率都會影響成本和供應
局部矽橋只有晶粒之間特定區域需要非常密集的連線需依晶粒位置設計橋接區與封裝基板,並驗證相鄰連線的電氣表現
扇出型或有機重佈線平台希望在不使用大型完整矽中介層的條件下整合多顆晶粒可達線寬、面積、材料特性與製程能力依供應商和平台不同
玻璃中介層等替代材料希望探索不同面積、電氣或機械特性的設計必須核對特定技術的量產成熟度、通孔製程與可靠度資料,不能只看材料優點

Intel 的 EMIB(嵌入式多晶粒互連橋)是一種局部橋接方案:以小型矽橋和多層布線連接特定晶粒,而非在整個封裝下方放置大型矽中介層。Intel 的 2025 年 7 月技術簡介指出,EMIB 將高密度互連集中在橋接區,其他區域可採較寬鬆的接點間距。這不代表它在所有應用都比完整中介層便宜或更快;設計仍須比較實際布線範圍、電源完整性與製造條件。參考Intel 對 EMIB 的官方說明與Intel EMIB 技術簡介(2025 年 7 月)。

如何判斷中介層是否真的改善了系統?

選型時應先把需求轉成可量測的驗收條件,而不是只比較「採用先進封裝」或「支援高頻寬」等標籤。可以從幾個面向檢查:

  • 互連需求:晶粒間需要多少資料頻寬、多少接點,以及資料主要走哪條路徑?比較設計目標與實際負載下的持續頻寬、延遲和錯誤率,不要只依賴介面峰值規格。
  • 每筆資料的能耗:觀察封裝互連在目標工作負載下的功耗,以及每單位資料傳輸所需能量。縮短走線可能有助降低互連負擔,但結果也受 I/O 電路、電壓和訊號速率影響。
  • 電源與訊號完整性:檢查高負載時的電壓下陷、雜訊、串擾和訊號眼圖;晶粒接近並不會自動消除電源供應或高速訊號問題。
  • 熱與機械可靠度:量測晶粒、HBM 與封裝不同位置的溫度,留意是否因熱限制而降頻;並依產品壽命需求確認熱循環、翹曲和接點可靠度。封裝面積擴大或材料不同,都可能改變熱與機械行為。
  • 製造與成本:一併檢視晶粒、互連、封裝和測試的良率,以及單位成本、產能與供應商資格。高密度方案若增加整體成本或縮短不了關鍵資料路徑,就需要重新衡量。

封裝廠日月光也提醒,晶片、封裝和系統必須共同設計;評估高速連線時,需檢視包含重佈線層、TSV、微凸塊在內的完整訊號路徑,而不是只看單一結構。其技術說明也區分矽中介層、扇出型重佈線和矽橋等方案。可閱讀日月光異質整合先進封裝設計說明。

哪些訊號代表該改用其他封裝方式?

如果模擬和實測顯示,晶粒間頻寬並非系統瓶頸,卻因大型矽中介層增加成本或製造風險,就可評估局部矽橋、扇出型重佈線或其他平台。如果只有兩個晶粒之間的短區段需要高密度連線,整片中介層可能不是最有效的配置。反過來說,若多顆晶粒和 HBM 需要廣泛、密集地互連,局部橋接是否足夠就要以佈線容量和訊號驗證決定。

若熱測試出現持續降頻、電源雜訊超出設計界線、翹曲造成接合問題,或封裝良率拖累整體成本,應重新檢討晶粒配置、電源和散熱設計,以及中介層面積和材料,而不是假設換成「更先進」的名稱就能解決。當產品需求改變、晶粒數量增加或供應條件變動,也要重新執行系統層級的比較。

結論:把中介層當成互連方案來評估

中介層的核心價值,是在晶粒與封裝基板之間建立高密度的訊號與電源連接,讓不同功能、甚至不同製程的晶粒能在同一封裝內合作。它是先進封裝的重要工具,但不是獨立的效能保證。判斷方案是否合適,應同時看資料路徑、持續頻寬、能耗、散熱、可靠度、良率和成本;若需求只集中於局部,橋接或重佈線方案可能值得比較,若多晶粒需要廣泛高密度互連,完整中介層則可能更符合設計目標。

本文技術資料核對日期為 2026 年 10 月 12 日。廠商平台和產品規格會更新;上述例子用於說明架構差異,不構成對個別產品效能、量產良率或採購成本的保證。

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