【導(dǎo)讀】在人工智能、高性能計算與數(shù)據(jù)中心芯片向超高密度、超低延遲迭代的浪潮中，臺積電主導(dǎo)的CoWoS先進(jìn)封裝技術(shù)成為核心支撐，更是“超越摩爾”時代異構(gòu)集成的關(guān)鍵抓手。這項2.5D封裝技術(shù)以硅中介層為核心樞紐，通過芯片-晶圓-基板的分層集成邏輯，突破了傳統(tǒng)單芯片設(shè)計的物理與性能邊界。本文將從技術(shù)本質(zhì)與核心架構(gòu)出發(fā)，拆解CoWoS的封裝原理及中介層的核心作用，深入分析其在性能、尺寸、可靠性上的獨特優(yōu)勢。
一、技術(shù)本質(zhì)與核心架構(gòu)
1.名稱拆解與封裝原理
CoW（Chip-on-Wafer）：首先將多個功能芯片（如 GPU、CPU、AI 加速芯片等邏輯芯片及高帶寬存儲器 HBM 裸片）通過微凸塊（Micro-Bumps）或混合鍵合技術(shù)垂直堆疊并互連到一片硅晶圓中介層上，形成高密度的芯片堆疊體（CoW 模組）。
WoS（Wafer-on-Substrate）：再將上述 CoW 模組整體通過硅通孔（TSV）及再分布層（RDL）連接到更大尺寸的有機基板上，最終實現(xiàn)完整的封裝體，與外部系統(tǒng)（如印刷電路板）通信。
核心邏輯：通過硅中介層作為橋梁，將不同功能、不同制程（甚至不同廠商）的芯片集成在同一封裝內(nèi)，突破傳統(tǒng)單芯片設(shè)計的物理限制，實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)級芯片（SiP）集成。
2.中介層（Interposer）：技術(shù)核心樞紐
硅中介層是 CoWoS 封裝的核心創(chuàng)新載體：
硅通孔（TSV）：在中介層晶圓內(nèi)制造微米級垂直互連通道，貫通芯片堆疊體的頂層與底層，實現(xiàn)從邏輯芯片→中介層→基板的高效電信號傳輸，縮短數(shù)據(jù)路徑，降低延遲與功耗。
高密度再分布層（RDL）：中介層表面采用先進(jìn)光刻工藝構(gòu)建多層銅布線網(wǎng)絡(luò)（線寬 / 間距可達(dá)亞微米級），為堆疊芯片提供超高密度的互連接口，支持超高速數(shù)據(jù)傳輸（如 HBM 與邏輯芯片間的帶寬需求）。
深溝槽電容器（DTC）：部分中介層嵌入嵌入式電容，優(yōu)化電源完整性（PI），抑制電源噪聲，保障高頻信號穩(wěn)定性。
二、技術(shù)優(yōu)勢：為何 CoWoS 成為 AI 與 HPC 芯片的剛需？
1.突破性能瓶頸
超高帶寬與低延遲：將 HBM 存儲器與邏輯芯片物理緊鄰堆疊在中介層上（距離僅數(shù)十微米），顯著縮短數(shù)據(jù)傳輸距離，帶寬可達(dá)傳統(tǒng)封裝的數(shù)倍以上（如 HBM3 帶寬超 TB/s 級別），大幅提升 AI 訓(xùn)練與推理速度。
異構(gòu)集成靈活性：支持不同制程（如 7nm 邏輯芯片 + 成熟制程的 I/O 芯片）、不同功能芯片（計算 / 存儲 / 通信）的協(xié)同封裝，兼顧性能與成本優(yōu)化，延續(xù) “超越摩爾” 發(fā)展路線。
熱管理優(yōu)化：硅中介層具備良好的熱傳導(dǎo)性，結(jié)合新型散熱材料（如金屬熱界面材料 TIM）及基板散熱設(shè)計，有效緩解高功率芯片（如 GPU）的局部熱點問題，提升系統(tǒng)可靠性。
2.尺寸與成本效益
小型化與高集成度：相比傳統(tǒng)多芯片模塊（MCM）分散布局在 PCB 上的方案，CoWoS 將芯片堆疊體壓縮至中介層尺度，封裝尺寸更小、厚度更薄，滿足數(shù)據(jù)中心及移動設(shè)備的空間限制需求。
成本可控性：通過 Chiplet 芯粒復(fù)用（同一封裝內(nèi)使用不同成熟度的芯片）及避免單片超大芯片（GAAFET 等先進(jìn)制程成本激增），平衡高端芯片性能需求與制造成本。
3.可靠性與信號完整性
硅中介層的低熱膨脹系數(shù)（CTE）匹配邏輯芯片與基板，減少熱應(yīng)力影響；微凸塊或混合鍵合技術(shù)提供更穩(wěn)定的互連結(jié)構(gòu)，保障高頻信號完整性，適用于高帶寬、低電壓的先進(jìn)計算場景。
三、技術(shù)演進(jìn)與類型分化
CoWoS 技術(shù)不斷迭代升級，衍生出多個子平臺以滿足多樣化需求：
1.CoWoS-S（Silicon Interposer）
傳統(tǒng)硅中介層方案，是 CoWoS 的基礎(chǔ)形態(tài)。中介層采用完整硅晶圓制造，通過四掩模拼接技術(shù)可擴展至3 倍光罩尺寸（約 2500–2700 mm2），容納多個邏輯芯片及 8–12 個 HBM 堆棧（如 NVIDIA H100/H200、AMD MI300 系列均采用此技術(shù)）。
技術(shù)迭代：從第一代（2011 年）發(fā)展到第五代（2021 年），晶體管密度、TSV 結(jié)構(gòu)及散熱方案持續(xù)優(yōu)化；第六代規(guī)劃支持 12 顆 HBM 及雙運算核心集成。
2.CoWoS-R（RDL Interposer）
以有機材料（聚合物）為基底、銅布線再分布層（RDL）構(gòu)成中介層，替代硅中介層。RDL 中介層具備柔韌性，可緩沖基板與芯片間的熱應(yīng)力失配，提升封裝可靠性與良率，同時布線密度可達(dá) 4μm 間距（2μm 線寬），滿足高速信號需求。適用于對成本、良率更敏感且對中介層尺寸要求極高的場景（如超大芯片集成）。
3.CoWoS-L（Local Silicon Interconnect 重組插層）
創(chuàng)新架構(gòu)：將傳統(tǒng)單片硅中介層替換為多個本地硅互連（LSI）芯粒與全局 RDL 層組成的重組插層（RI）。每個 LSI 芯粒保留硅中介層的高性能互連特性（亞微米銅布線、TSV），同時規(guī)避超大硅中介層帶來的良率與制造挑戰(zhàn)（如光刻拼接誤差）。
優(yōu)勢：實現(xiàn)類似硅中介層的高帶寬互連性能，但制造更靈活，良率更高，可擴展性更強，適用于下一代3 倍光罩尺寸以上（>2500 mm2）的超大集成需求（如更多 HBM 堆棧或多核邏輯芯片）。
4.未來演進(jìn)方向
更大集成規(guī)模：臺積電規(guī)劃在 2027 年推出9 倍光罩尺寸的超級載體（Super Carrier）CoWoS 技術(shù)，支持容納 12 個以上 HBM4 堆棧及超大型邏輯芯片群，滿足 AI 大模型對算力與存儲的極致需求。
混合鍵合應(yīng)用深化：逐步用混合鍵合技術(shù)（銅–氧化物原子級鍵合）替代微凸塊互連，進(jìn)一步縮小芯片間距（<10μm），提升帶寬潛力并降低功耗，推動 CoWoS 向 3D 堆疊（Chiplet 垂直集成）延伸。
光電共封裝（CPO）融合：探索將光子芯片（如激光器、調(diào)制器）集成到 CoWoS 中介層或基板，解決數(shù)據(jù)中心光電轉(zhuǎn)換瓶頸，構(gòu)建光電異構(gòu)系統(tǒng)級封裝。
四、封裝過程中的氣泡挑戰(zhàn)與創(chuàng)新解決方案
在CoWoS等先進(jìn)封裝技術(shù)中，氣泡缺陷已成為影響芯片性能與可靠性的核心瓶頸。隨著芯片尺寸持續(xù)縮小、功率密度不斷提升，微米甚至納米級的氣泡可能導(dǎo)致芯片性能下降和使用壽命縮短。在這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)，屹立芯創(chuàng)通過技術(shù)創(chuàng)新為氣泡防治提供了國產(chǎn)解決方案。
屹立芯創(chuàng)研發(fā)的多領(lǐng)域除泡系統(tǒng)采用獨創(chuàng)的"震蕩式真空壓力與快速升降溫"專利技術(shù)，首次實現(xiàn)"真空度-壓力值-溫度曲線"三參數(shù)動態(tài)聯(lián)動調(diào)控，解決高精度模組封裝除泡過程中無法兼顧協(xié)同性的問題。其晶圓級真空貼壓膜系統(tǒng)采用真空下貼壓膜和軟墊氣囊式壓合專利技術(shù)，有效解決預(yù)貼膜在真空壓膜過程中產(chǎn)生氣泡或干膜填覆率不佳的問題，實現(xiàn)業(yè)內(nèi)最高1：20的高深寬比填覆效果。
這些技術(shù)已在國內(nèi)多家封測頭部企業(yè)產(chǎn)線中實現(xiàn)規(guī)?；€(wěn)定運行，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體封裝測試、AI芯片、汽車電子等關(guān)鍵領(lǐng)域，為CoWoS等先進(jìn)封裝技術(shù)提供了可靠的氣泡防治支持。
總結(jié)
CoWoS技術(shù)以硅中介層為核心樞紐，通過創(chuàng)新的分層集成邏輯，突破了傳統(tǒng)封裝的性能與物理邊界，為AI、HPC等高端芯片提供了異構(gòu)集成的最優(yōu)解，成為“超越摩爾”時代的核心支撐。從技術(shù)迭代來看，三大子平臺的分化與迭代、混合鍵合及光電共封裝的探索，持續(xù)拓寬其應(yīng)用邊界；而屹立芯創(chuàng)的除泡技術(shù)突破，為國產(chǎn)CoWoS落地提供了關(guān)鍵保障。與此同時，成本良率、散熱極限、標(biāo)準(zhǔn)化生態(tài)及可持續(xù)性等挑戰(zhàn)，仍需行業(yè)協(xié)同攻堅。未來，隨著超級載體等技術(shù)的推進(jìn)，CoWoS將進(jìn)一步平衡性能與成本、創(chuàng)新與可靠，不僅賦能AI大模型等領(lǐng)域爆發(fā)式增長，更將推動半導(dǎo)體封裝產(chǎn)業(yè)邁向高質(zhì)量發(fā)展新階段。
