Se você estiver usando o Apache, basta adicionar um MIME-Type para o favicon no arquivo .htaccess do seu site ou no arquivo mime.types do Apache:
# Add Proper MIME-Type for Favicon
AddType image/x-icon .ico
Em seguida, defina o cabeçalho "Expires" em alguns meses no futuro:
# Enable Apache's mod_expires Module
ExpiresActive On
ExpiresByType image/x-icon "access plus 1 month"
Após limpar o cache do seu navegador e recarregar a página, você verá o arquivo favicon.ico sendo servido com o cabeçalho Cache-Control sendo definido para uma data (especificada em segundos) no futuro:
Content-Type image/x-icon
Cache-Control: max-age=2592000
Para informações relacionadas, consulte a documentação do YSlow em Como fazer seu favicon.ico em pequeno e em cache em: link