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3D?IC（三維集成電路）架構可以在垂直尺度上將多個同質和異質的小芯片/裸片整合在同一設計中，使芯片在更小的區域面積下添加更多功能、提高單位性能、提升設計靈活性并降低開發成本。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鍵技術。

一、3D?IC的市場背景

（一）技術方面，3D封裝和3D堆疊設計高度協同

3D?IC技術路線以3D先進封裝為“連接橋梁”，以3D堆疊設計為“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，是發揮多裸片集成優勢的前提；3D堆疊設計則通過精準規劃裸片順序、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，封裝技術則需精準匹配堆疊設計的核心需求，通過工藝優化落地設計預期。二者同頻發力才能突破集成瓶頸，為算力芯片的高性能、小型化發展提供堅實支撐。

（二）國際布局方面，各國紛紛加碼爭奪技術主導權

歐美等發達國家正通過排他性產業政策，集中頂尖科研力量與資本，對三維堆疊、先進封裝等相關領域的研發投入，意圖在下一代算力架構中建立排他性的技術壁壘，掌握主導權。如歐洲以《歐洲芯片法案》為核心，重點建設3D異構先進封裝試驗線，IMEC聯合企業發布混合鍵合技術路線圖，目標2027年實現1μm以下銅－銅直接鍵合間距；美國出臺《芯片與科學法案》支持先進封裝生態建設，其中專項撥款16億美元發展芯片封裝技術；韓國在“K-半導體戰略”框架下設立2.5D/3D封裝專項基金，規劃2027年將TSV工藝良率提升至99.5%以上。

（三）市場競爭方面，國際巨頭搶灘異構集成新高地

在3D?IC走向大規模商用的臨界點，臺積電、英特爾和三星正爭分奪秒地交付完整3D芯片的所有基礎組件。臺積電以CoWoS和SoIC為核心，布局分層封裝生態，強調先進封裝與晶體管技術并行發展，目標是通過密集堆疊將SRAM、HBM、邏輯模塊緊耦合，解決數據流通瓶頸，釋放AI芯片的計算效率。英特爾注重構建“高緩存+高帶寬”的堆疊結構，以解決“計算－內存－帶寬”協同瓶頸，將EDA、設計、封裝、封測貫穿一體，推出的Foveros?Direct技術強調高密度堆疊和面向SRAM的垂直集成布局。三星在內存堆疊和熱管理領域積累深厚，其以HBM的垂直整合能力為起點，逐步向系統級堆疊推進，其路徑更強調邏輯-內存協同設計。

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長度，減少互聯線延遲與互聯信號和時鐘網絡上引入的功耗與面積，同時垂直相比水平互聯拓寬了繞線資源，提升了模塊間可容許的互聯帶寬。二是緩解內存墻。通過3D切分，將緩存、主存從原有的2D芯片互聯中獨立出來，與邏輯運算芯片垂直堆疊，物理上提升邏輯到內存互聯帶寬，打破2D場景下緩存容量限制，緩解內存墻問題。三是小型化。通過擴展維度，實現芯片垂直互聯，可以提高集成密度，降低芯片外形尺寸。3D?IC互聯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。四是異構集成。3D?IC允許不同工藝技術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，促進系統級的集成。

三、我國發展3D?IC面臨的主要問題

（一）技術瓶頸亟待解決

一是熱管理問題。異構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，堆疊結構延長了熱傳導路徑，而不同封裝材料間導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，傳統散熱路徑已接近極限。二是良率控制難題。硅通孔內部的空洞缺陷、混合鍵合所要求的亞微米級對準精度，以及大尺寸基板在加工過程中的翹曲變形等問題導致良率降低。三是標準生態尚未建立。3D?IC芯片間互連標準尚處于早期階段，例如UCIe、BoW和AIB，其成熟度遠低于DDR或PCIe等既有協議，行業標準碎片化問題已顯著制約整體設計效率提升。

（二）產業鏈協同機制薄弱

3D?IC高度依賴設計與制造的深度協同（DTCO），而國內目前尚未形成類似臺積電“3DFabric”緊密綁定的產業聯盟，產業鏈上下游企業間缺乏深度聯動的協同研發與驗證機制。設計企業難以獲得代工廠的早期工藝支持，封測廠在介入前端設計時往往滯后，各廠商在數據格式、工藝庫和驗證流程上難以互通，導致產品定義與制造工藝脫節，嚴重阻礙了異構集成的效率與可靠性，整體產業合力不足。

（三）供應鏈自主可控受限

一是EDA領域，傳統2D工具難以適配3D復雜層間互連與多物理場仿真需求，海外巨頭構筑技術與生態壁壘，國產工具底層技術攻關難度大，且與先進代工廠兼容性不足。二是設備領域，混合鍵合、刻蝕、高精度貼裝等核心設備及關鍵零部件高度依賴海外廠商，國產設備精度與穩定性差距顯著，整體產業化成熟度偏低。三是材料領域，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，斷供風險突出。四是關鍵工藝領域，超高密度互連、晶圓級3D堆疊、微觀物理效應控制等方面與國際先進水平存在代差，疊加外部技術管制進一步加劇了供應鏈安全風險。

四、對我國發展3D?IC的相關建議

（一）技術攻關與標準建設系統突破

散熱方面，堅持設計前置優化芯片布局結構，同時加快推廣銦箔、石墨烯、液態金屬等新型高熱導界面材料，布局硅片與中介層微流體散熱架構，縮短熱傳導路徑、緩解堆疊熱阻塞問題。良率提升方面，優化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避整片晶圓失效風險，通過調整金屬化參數管控器件應力與基板翹曲，全面提升異構集成制造良率。標準生態方面，加快完善3D?IC接口協議、堆疊規范及測試驗證全鏈條標準，推進工藝工具認證與制造適配，破解行業標準碎片化難題，持續提升整體設計與產業化效率。

（二）構建全產業鏈深度協同生態

著力打破行業壁壘，對標先進模式打造本土化協同生態，健全設計、晶圓制造、封測一體化聯動機制。重構商業模式，推動代工廠、設計公司與封測廠建立DTCO深度協同研發體系，引導代工廠提前向設計企業開放前沿工藝研發資源，將封測環節前置到芯片設計階段，打通產業鏈上下游的數據和技術互通壁壘，彌合產品設計與制造工藝之間的脫節問題，大幅縮短從設計到量產的迭代周期，凝聚產業整體合力。

（三）全面強化供應鏈自主可控水平

集中產學研力量攻堅3D?IC專用EDA底層算法與仿真架構，打通國產工具與先進制程PDK適配通道，助力本土EDA產業生態突破海外壁壘；布局核心裝備及核心零部件研發，建立設備示范應用與迭代驗證機制，持續縮小國產設備在精度、穩定性上的差距，提升產業化落地能力；加大關鍵3D?IC材料研發投入與產能建設，完善材料國產化替代體系，有效降低進口依存度與供應鏈斷供風險；強化前沿工藝技術攻關，深化設計、制造、封測產業鏈協同聯動，主動應對外部技術管制，筑牢3D?IC全產業鏈安全屏障。

參考文獻

[1]張芊帆,何茜,田雨,等.3D?IC封裝技術中硅通孔研究進展綜述[J].電子與信息學報,2025,47(09):3057-3069.

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[3]盧林紅.3D?IC中三維銅互連結構及其可靠性研究[D].貴州大學,2025.DOI:10.27047/d.cnki.ggudu.2025.002267.

作者介紹

王美惠

中級經濟師

長期專注科技創新、集成電路領域，參與多項政府、企業等相關課題研究與項目咨詢工作。

編輯：張　華?

審核：趙佳菲?