杀疯了的CoWoS

因为CoWoS高级封装在人工智能加速器的开发中扮演着至关重要的角色。于是，台积电正在大力提高这个技术的产能。

最近，有消息指出，台积电目前的CoWoS产能据说是每月36000片，这家台湾巨头的目标是到明年年底将这一数字提高到90000片。如果台积电继续按计划升级设备和建造新设备，该公司的目标是到2026年将CoWoS的产量提高到130000片，即在短短一年内将产量提高近4倍。与此同时，这家台湾巨头还将提高CoWoS的价格，以满足扩产所需的成本。

当然，在技术方面，台积电也与时俱进。

台积电“超级载体”CoWoS

台积电本月在其欧洲开放创新平台（OIP）论坛上宣布，该公司有望在2027年实现其超大版晶圆上芯片（CoWoS）封装技术的认证，该技术将提供高达九个光罩（reticle）尺寸的中介层和12个HBM4内存堆栈。新的封装方法将满足对性能要求最高的应用，并让AI和HPC芯片设计人员能够构建手掌大小的处理器。

台积电每年都会推出新的工艺技术，尽最大努力满足客户对功率、性能和面积（PPA）改进的需求。但有些客户需要更高的性能，而858平方毫米的EUV光刻工具掩模板限制对他们来说不够。这些客户选择使用台积电CoWoS技术封装的多芯片解决方案，近年来，该公司提供了该方法的多次迭代。

最初的CoWoS在2016年实现了约1.5倍掩模版大小的芯片封装，然后发展到今天的3.3倍掩模版大小，可以将八个HBM3堆栈放入一个封装中。接下来，台积电承诺在2025年至2026年推出5.5倍掩模版大小的封装，最多可容纳12个HBM4内存堆栈。然而，这比该公司的终极版CoWoS逊色不少，后者可实现多达九倍掩模版大小的系统级封装（SiP），板载12个甚至更多的HBM4模块。

该款9光罩“超级载体”（Super Carrier）CoWoS（为芯片和内存提供高达7 722平方毫米的空间）配有12个HBM4堆栈，计划于2027年获得认证，因此有理由预计它将在2027年至2028年间被超高端AI处理器采用。

台积电完全相信采用其先进封装方法的公司也会使用其系统级集成芯片（SoIC）先进封装技术垂直堆叠逻辑，以进一步提高晶体管数量和性能。事实上，借助9光罩CoWoS，台积电预计其客户会将1.6nm级芯片放置在2nm级芯片之上，因此我们谈论的是极高的晶体管密度。

然而，这些超大型CoWoS封装面临着重大挑战。5.5掩模版CoWoS封装将需要超过100x100毫米的基板（接近OAM 2.0标准的尺寸限制，尺寸为102x165毫米），而9掩模版CoWoS将超过120x120毫米的基板。如此大的基板尺寸将影响系统的设计方式以及数据中心的设备支持。特别是电源和冷却系统。说到电源，我们谈论的是每个机架数百千瓦的耗能，而说到冷却，我们谈论的是液体冷却和浸没式方法，以有效管理高功率处理器。

CoWOS技术是什么？

晶圆上芯片（CoWoS：Chip-on-wafer-on-substrate）是一种先进的封装技术，具有封装尺寸更大和I/O连接更多等优势。它允许2.5D和3D组件堆叠，以实现同质和异构集成。以前的系统面临内存限制，而当代数据中心则使用高带宽内存（HBM）来增强内存容量和带宽。CoWoS技术允许在同一IC平台上异构集成逻辑SoC和HBM。

CoWoS架构包含2.5D水平堆叠和3D垂直堆叠配置，彻底改变了传统的芯片封装模式。这种创新方法允许逐层堆叠各种处理器和内存模块，从而创建相互连接以形成一个有凝聚力的系统的小芯片。通过利用硅通孔（TSV）和微凸块，与传统的2D封装方法相比，CoWoS可以缩短互联长度、降低功耗并增强信号完整性。

从实际角度来看，CoWoS技术能够将GPU和AI加速器等高级处理单元与高带宽内存（HBM）模块无缝集成。这种集成对于AI应用尤其重要，因为在这些应用中，大规模计算能力和快速数据访问至关重要。通过将处理器和内存元件放在近距离内，CoWoS可以最大限度地减少延迟并最大限度地提高吞吐量，从而为内存密集型任务带来前所未有的性能提升。

CoWoS技术具有多种优势：

1. 规模化和更高的集成度：传统上，按照摩尔定律对晶体管进行规模化有助于满足提高性能的需求。然而，事实证明，这对于高性能计算（HPC）、人工智能甚至图形处理单元（GPU）等现代应用而言是不够的。CoWoS允许在同一基板上堆叠芯片，从而减少同质或异构逻辑SoC之间以及HBM之间的互连延迟。

2. 增强热管理：硅中介层和有机中介层的使用大大增强了堆叠集成电路的热管理能力。这直接提高了整个系统的可靠性和使用寿命，同时最大限度地降低了热节流的风险。

3. 提高电源完整性：中介层中的电源/接地网络使用RDL，并结合深槽电容器（DTC），不会损害高速应用和内存密集型应用的电源完整性。

4. 尺寸和成本降低：CoWoS技术有助于在同一中介层和基板上安装多个逻辑SoC和HBM。这与传统封装技术形成鲜明对比，传统封装技术过去需要将多个逻辑SoC安装在印刷电路板（PCB）上，并在封装中进行必要的连接。这导致封装尺寸更大，且增加了材料成本和制造费用。CoWoS封装总体上更小，更具成本效益。

CoWOS的三种技术变体

据介绍，目前有CoWoS-S、CoWoS-L和CoWoS-R三个平台。不同的互连选项提供了更大的灵活性集成，以满足性能目标。

据中邮证券的报告，CoWoS-S（Silicon Interposer）即2011年首次亮相的用硅（Si）衬底作为中介层的先进封装技术（chip-on-wafer-on-substrate with silicon interposer）和TSV，提供广泛的中介层尺寸、HBM立方体数量和封装尺寸，可以实现大于2X的光罩尺寸（1 700mm²），中介层集成了领先的SoC芯片和四个以上的HBM2/HBM2E立方体。在过去，“CoWoS”一般即指以硅基板作为中介层的先进封装技术。

报告进一步指出，CoWoS-S从2011年的第一代升级到2021年的第五代，后续的第六代技术将会在基板上封装2颗运算核心，同时可以板载多达12颗HBM缓存芯片。第五代CoWoS-S技术使用了全新的TSV解决方案，更厚的铜连接线，晶体管数量是第3代的20倍。它的硅中介层扩大到2500mm²，相当于3倍光罩面积，拥有8个HBM2E堆栈的空间，容量高达128 GB。并且，台积电以Metal Tim形式提供最新高性能处理器散热解决方案，与第一代Gel TIM相比，封装热阻降低至此前的0.15倍。

CoWoS-R则使用有机中介层取代了CoWoS-S的硅中介层。有机中介层具有细间距RDL，可在HBM和芯片之间，甚至在芯片和基板之间提供高速连接。与CoWoS-S相比，CoWoS-R提供了卓越的可靠性和良率，因为有机中介层本身具有柔韧性，可充当应力缓冲器，并减轻由于基板和中介层之间的热膨胀系数不匹配而引起的可靠性问题。

按照台积电所说，CoWoS-R的主要特点包括：

1. 用于布线的RDL中介层最多包含6个铜层，间距最小为4μm（线宽/间距为2μm）。

2. RDL互连提供良好的信号和电源完整性，并采用较低的RC值布线，以实现高数据传输率。共面接地-信号-接地-信号-接地（GSGSG）和具有六个RDL互连的层间接地屏蔽可提供卓越的电气性能。

3. 由于SoC和相应基板之间的热膨胀系数（CTE）不匹配，RDL层和C4/底部填充（UF）层提供了出色的缓冲。C4凸块区域的应变能量密度大大降低。

CoWoS-L则使用局部硅互连（LSI）和RDL中介层一起形成重组中介层（RI）。除了RDL中介层之外，它还以硅通孔（TSV）的形式保留了CoWoS-S的吸引力。这还可以缓解由于在CoWoS-S中使用大型硅中介层而产生的产量问题。在一些实现中，它还可以使用绝缘通孔（TIV）代替TSV来最大限度地减少插入损耗。

CoWoS-L的主要特点包括：

1. LSI芯片用于通过多层亚微米铜线实现高布线密度芯片间互连。LSI芯片可以在每个产品中采用各种连接架构，例如片上系统（SoC）到SoC、SoC到芯片组、SoC到高带宽内存，并且可以在多种产品中重复使用。相应的金属类型、层数和间距与CoWoS-S的产品一致。

2. 基于成型的中介层在正面、背面和传输信号和电源的InFO通孔（TIV）上具有较宽的RDL层间距，可在高速传输过程中降低高频信号的损耗。

3. 能够在SoC芯片下方集成独立嵌入式深沟槽电容器等附加元素，以改善电源管理。

总而言之，CoWoS-L是一种芯片后组装工艺，因为先制造中介层，然后再在上面堆叠晶圆芯片。中介层是CoWoS技术中的关键原材料之一，因为中介层上安装了多个晶圆芯片（如SoC、HBM等），并且它能够实现芯片之间的高效连接和通信。中介层制造完成后，下一步就是在晶圆芯片中创建绝缘通孔（TIV）。

然后将已知合格的裸片（KGD）安装在晶圆上。裸片和TIV之间的间隙用模塑料填充，再采用CMP工艺获得平坦表面。下一步，制造两个RDL层：一个位于中介层正面，通过μ-bump连接晶圆和基板。中介层背面的第二条RDL通过C4凸块连接中介层和基板。

除此之外，CoWoS-L技术还采用深沟槽电容器（DTC），可提供高电容密度，从而提高系统的电气性能。这些电容器可以充当电荷储存器，并在运行高速计算应用程序时满足瞬时电流需求。

面临的挑战

与系统级芯片（SiP）等旧式封装技术相比，CoWoS技术可以在一个封装中支持更多数量的晶体管。所有需要大量并行计算、处理大量数据向量以及需要高内存带宽的应用程序都最适合使用此技术。

CoWoS的一些应用包括：高性能计算（HPC）、人工智能（AI）和机器学习（ML）、网络和数据中心以及图形处理单元（GPU）和游戏。

但COWOS面临着多方面的挑战：

1. 制造复杂性和成本考虑：CoWoS是一种2.5D/3D集成技术，与前代技术相比，制造复杂性显著增加。制造复杂性直接导致采用这种封装技术的芯片成本增加。这被认为是近年来HPC和AI芯片成本增加的一个重要原因。测试CoWoS的成本也会增加总成本。

2. 集成和良率挑战：5D和3D集成电路需要像任何其他集成电路一样进行测试，以确保它们没有任何制造缺陷。然而，测试2.5D或3D集成电路要困难得多，因为每个晶圆芯片在安装到中介层之前都需要单独测试，安装后还需要再次测试。除此之外，硅通孔（TSV）也需要测试。最后，大型硅中介层特别容易受到制造缺陷的影响，并可能导致良率损失。

3. 散热挑战：由于中介层和基板之间的热膨胀系数（CTE）不同，CoWoS封装会遇到散热问题。使用有机中介层确实可以在一定程度上限制散热问题。使用底部填充材料可以缓冲硅片和基板之间的热失配，从而大大提高焊点的寿命。

同样，在正面，重分布层（RDL）的完整性（尤其是两个硅片下方的重分布层）容易受到应力影响。μ-bump底部填充材料再次充当了硅片和RDL之间的应力缓冲层。

4. 电气挑战：CoWoS封装面临着信号和电源完整性问题等电气挑战。

（1）信号完整性：

逻辑晶圆芯片到基板的互连：随着数据速率的提高，由于TSV的寄生电容和电感，互连的信号传输会变差。为了解决这个问题，人们努力优化TSV，以最大限度地降低电容和电感。

逻辑晶圆芯片到HBM：SoC和HBM之间互连的眼图性能瓶颈归因于互连的寄生电阻和电容。

（2）电源完整性：CoWoS封装通常用于具有较高数据切换率和较低工作电压的高性能应用。这使得这些封装容易受到电源完整性挑战。

CoWoS技术提供更高水平的集成，使集成电路能够扩展以满足不断增长的计算能力的需求。该技术不断发展，以确保更好的产量、强大的功率和热完整性，并进一步增加中介层面积，以允许更多晶圆共享同一基板。CoWoS将在未来几年继续推动半导体行业的发展。

参考链接：

https://www.tomshardware.com/tech-industry/tsmc-super-carrier-cowos-interposer-gets-bigger-enabling-massive-ai-chips-to-reach-9-reticle-sizes-with-12-hbm4-stacks

https://anysilicon.com/cowos-package/

本文来自微信公众号：半导体行业观察 （ID：icbank），作者：编辑部