臺積電的CoWoS 封裝技術(shù)是什么？

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2024-05-25 03:32:09 972

引言

為了滿足高性能計算（HPC）和人工智能（AI）的計算需求，人們需要一種可擴展的封裝。片上基板（CoWoS）是一種先進的封裝技術(shù)，具有封裝尺寸更大、I/O 連接更多的優(yōu)勢。它允許 2.5D 和 3D 組件堆疊，實現(xiàn)同質(zhì)和異質(zhì)集成。以前的系統(tǒng)面臨內(nèi)存限制，而當代數(shù)據(jù)中心則采用高帶寬內(nèi)存（HBM）來提高內(nèi)存容量和帶寬。CoWoS 技術(shù)可在同一集成電路平臺上實現(xiàn)邏輯 SoC 和 HBM 的異質(zhì)集成。

圖片來源：臺積電

CoWoS 封裝概述

CoWoS 架構(gòu)包括 2.5D 水平堆疊和 3D 垂直堆疊配置，徹底改變了芯片封裝的傳統(tǒng)模式。這種創(chuàng)新方法允許逐層堆疊各種處理器和內(nèi)存模塊，創(chuàng)建相互連接的芯片，形成一個內(nèi)聚系統(tǒng)。通過利用硅通孔（TSV）和微凸塊，與傳統(tǒng)的二維封裝方法相比，CoWoS 可縮短互連長度、降低功耗并增強信號完整性。

在實際應(yīng)用中，CoWoS 技術(shù)可將 GPU 和人工智能加速器等*處理單元與高帶寬內(nèi)存（HBM）模塊無縫集成。這種集成對于人工智能應(yīng)用尤為重要，因為在人工智能應(yīng)用中，大規(guī)模計算能力和快速數(shù)據(jù)訪問是最重要的。CoWoS 將處理元件和內(nèi)存元件就近配置，最大限度地減少了延遲，提高了吞吐量，從而為內(nèi)存密集型任務(wù)帶來前所未有的性能提升。

CoWoS 封裝的優(yōu)勢

CoWoS 技術(shù)具有多種優(yōu)勢：

擴展性和更高的集成度：傳統(tǒng)上，按照摩爾定律擴展晶體管有助于滿足對更高性能的需求。但事實證明，這對于高性能計算（HPC）、人工智能甚至圖形處理器（GPU）等現(xiàn)代應(yīng)用來說是不夠的。CoWoS 允許在同一基板上堆疊芯片，從而減少同質(zhì)或異質(zhì)邏輯 SoC 之間以及 HBM 之間的互連延遲。
增強熱管理：硅內(nèi)插件和有機內(nèi)插件的使用大大增強了堆疊集成電路的熱管理能力。這直接提高了整個系統(tǒng)的可靠性和壽命，同時最大限度地降低了熱節(jié)流風(fēng)險。
改善電源完整性：堆疊集成電路內(nèi)的電源/接地網(wǎng)絡(luò)使用 RDL，同時使用深溝槽電容器（DTC），使高速應(yīng)用和內(nèi)存密集型應(yīng)用的電源完整性不受影響。
縮小尺寸，降低成本：CoWoS 技術(shù)有助于將多個邏輯 SoC 和 HBM 安裝在相同的集成電路和基板上。這與傳統(tǒng)封裝技術(shù)形成鮮明對比，在傳統(tǒng)封裝技術(shù)中，多個邏輯 SoC 需要安裝在一塊印刷電路板（PCB）上，并在封裝中進行必要的連接。這導(dǎo)致封裝尺寸增大，材料成本和制造費用增加。CoWoS 封裝整體更小，成本效益更高。

CoWoS 技術(shù)的市場動態(tài)

1. 需求驅(qū)動因素

人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)分析和移動計算等技術(shù)的蓬勃發(fā)展導(dǎo)致對計算能力的需求日益增長。

現(xiàn)代社會對計算能力的高需求促進了人工智能芯片的發(fā)展，推動了對 CoWoS 等先進封裝解決方案的需求。

TrendForce 的數(shù)據(jù)顯示，人工智能服務(wù)器出貨量大幅增長，2023 年達到近 120 萬臺，預(yù)計 2022 年至 2026 年的復(fù)合年增長率為 22%。

對人工智能芯片的需求，尤其是對采用更高規(guī)格 HBM 的 GPU 的需求，導(dǎo)致臺積電 CoWoS 封裝的產(chǎn)能緊張，英偉達是其主要客戶。

2. 供需動態(tài)

由于供應(yīng)短缺，臺積電的 CoWoS 封裝能力一直是人工智能芯片產(chǎn)出的瓶頸，尤其是在中間件領(lǐng)域。

臺積電計劃將 CoWoS 產(chǎn)能提高一倍，并投資先進的封裝廠，以期在 2024 年底前緩解供需失衡問題。

包括聯(lián)電、日月光科技控股公司和力成科技在內(nèi)的其他臺灣公司正在進入 CoWoS *封裝市場，擴大產(chǎn)能并提供替代解決方案。

CoWoS 技術(shù)的變體

目前使用的 CoWoS 技術(shù)分為三類：

CoWoS-S：該技術(shù)使用單片硅內(nèi)插件和硅通孔（TSV），以促進芯片和基板之間高速電信號的直接傳輸。不過，單片硅內(nèi)插層存在良率問題。

圖 1：CoWoS-S 封裝

CoWoS-R：這項技術(shù)用有機插層取代了 CoWoS-S 的硅插層。有機插層具有細間距 RDL，可在 HBM 和芯片甚至芯片和基板之間提供高速連接。與 CoWoS-S 相比，CoWoS-R 具有更高的可靠性和成品率，因為有機中間膜本身具有柔性，可作為應(yīng)力緩沖器，減輕因基板和中間膜之間的熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生的可靠性問題。

圖 2：CoWoS-R 封裝

CoWoS-L 封裝：這種封裝使用本地硅互連（LSI）和 RDL 內(nèi)插件，共同構(gòu)成重組內(nèi)插件（RI）。除了 RDL 內(nèi)插件外，它還保留了 CoWoS-S 的誘人特點，即硅通孔（TSV）。這也緩解了 CoWoS-S 中由于使用大型硅內(nèi)插件而產(chǎn)生的良品率問題。在某些實施方案中，它還可以使用絕緣體通孔（TIV）代替 TSV，以最大限度地降低插入損耗。

圖 3：CoWoS-L 封裝

了解 CoWoS 封裝元件

本節(jié)將討論 CoWoS-L 封裝的組成和制造步驟：

1.CoWoS-L 是一種芯片末端組裝，因為首先要制造中間膜，然后在上面堆疊晶圓芯片。中間膜是 CoWoS 技術(shù)的關(guān)鍵原材料之一，因為多個晶圓芯片（如 SoC、HBM 等）都安裝在中間膜上，中間膜實現(xiàn)了芯片之間的有效連接和通信。中間膜制作完成后，下一步就是在晶圓裸片上制作直通絕緣通孔（TIV）。

2.然后在晶圓上安裝已知*芯片（KGD）。晶粒和 TIV 之間的間隙用模塑化合物填充，然后使用 CMP 工藝獲得平面。

3.下一步是制作兩個 RDL 層

一層位于中間膜正面，通過 μ 凸塊連接晶片和基板。
第二層 RDL 位于中間膜背面，通過 C4 凸塊連接中間膜和基底。

除此之外，CoWoS-L 技術(shù)還使用了深溝電容器（DTC），可提供高電容密度，從而提高系統(tǒng)的電氣性能。這些電容器可充當電荷庫，滿足運行高速計算應(yīng)用時的瞬時電流需求。

挑戰(zhàn)和限制

制造復(fù)雜性和成本考慮：

CoWoS 是一種 2.5D/3D 集成技術(shù)，與其前代產(chǎn)品相比，制造復(fù)雜度較高。制造復(fù)雜性直接導(dǎo)致采用這種封裝技術(shù)的芯片成本增加。這被認為是近來高性能計算和人工智能芯片成本增加的一個重要原因。CoWoS 的測試成本也增加了總成本。

集成和產(chǎn)量挑戰(zhàn)：

5D 和 3D 集成電路需要像其他集成電路一樣進行測試，以確保它們不存在任何制造缺陷。然而，測試 2.5D 或 3D 集成電路的難度要大得多，因為在將每個晶圓裸片安裝到插接器上之前，都需要對其進行單獨測試，安裝后還需要再次測試。除此之外，還需要對硅通孔（TSV）進行測試。最后，大型硅內(nèi)插件特別容易出現(xiàn)制造缺陷，并可能導(dǎo)致成品率下降。

熱挑戰(zhàn)：

CoWoS 封裝存在熱問題，這是因為中間膜與基底之間的熱膨脹系數(shù) （CTE）不同。使用有機中間膜可在一定程度上限制熱問題。使用底層填充材料可以緩沖硅芯片和基底之間的熱失配，從而大大延長焊點的使用壽命。

同樣，在正面，再分布層（RDL）的完整性，尤其是兩個硅芯片下面的再分布層，很容易受到應(yīng)力的影響。使用 μ-bump 底部填充材料可在硅芯片和 RDL 之間起到應(yīng)力緩沖作用。

電氣挑戰(zhàn)：

CoWoS 封裝面臨信號和電源完整性方面的電氣挑戰(zhàn)。

（1）信號完整性：

邏輯晶片-芯片-基板互連：隨著數(shù)據(jù)速率的提高，TSV 的寄生電容和電感會導(dǎo)致互連信號傳輸性能下降。為解決這一問題，我們努力優(yōu)化 TSV，以盡量減少電容和電感。

邏輯晶圓-晶圓到 HBM：SoC 和 HBM 之間互聯(lián)的眼性能瓶頸在于互聯(lián)的寄生電阻和電容。

（2）電源完整性：

CoWoS 封裝通常用于具有較高數(shù)據(jù)切換率和較低工作電壓的高性能應(yīng)用。因此，這些封裝容易受到電源完整性挑戰(zhàn)的影響。

CoWoS 技術(shù)的應(yīng)用

與系統(tǒng)級芯片（SiP）等老式封裝技術(shù)相比，CoWoS 技術(shù)可在封裝中支持更多晶體管。所有需要大量并行計算、處理大矢量數(shù)據(jù)和需要高內(nèi)存帶寬的應(yīng)用都最適合使用這種技術(shù)。

圖 4：隨著 CoWoS 的發(fā)展晶體管數(shù)量增加

CoWoS 的一些應(yīng)用包括

高性能計算（HPC）。
人工智能（AI）和機器學(xué)習(xí) （ML）。
網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心
圖形處理器（GPU）和游戲。

案例研究和成功故事

許多公司都因 CoWoS 軟件包的成功而蓬勃發(fā)展。例如：

1.英偉達公司（NVIDIA）的人工智能芯片依賴于 CoWoS 軟件包。

2.AMD 也在探索將 CoWoS 封裝用于其人工智能芯片。

3.聯(lián)發(fā)科與臺積電合作，將 CoWoS 用于其網(wǎng)絡(luò) ASIC。

4.博通公司（Broadcom）將 CoWoS-L 用于其滿足深度學(xué)習(xí)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的 ASIC。

5.Global Unichip Corp. （GUC）也與臺積電合作，將 CoWoS 用于其人工智能、高性能計算和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用芯片。

結(jié)論

CoWoS 技術(shù)提供了更高的集成度，使集成電路能夠擴展以滿足不斷增長的計算能力需求。該技術(shù)正在不斷發(fā)展，以確保更高的良率、穩(wěn)健的電源和熱完整性，并進一步增加插層面積，使更多晶圓能夠共享同一基板。未來幾年，CoWoS 將繼續(xù)推動半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。

參考文獻

[1]https://anysilicon.com/cowos-package/

[2]“Test Challenges in Designing Complex 3D Chips: What in on the Horizon for EDA Industry”, by Sandeep K. Goyal.

[3]“Wafer Level System Integration of the Fifth Generation CoWoS?-S with High Performance Si Interposer at 2500 mm2”, by Huang et al.

[4]“CoWoS Architecture Evolution for Next Generation HPC on 2.5D System in Package”, by Hu et al.

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