CoWos是什么?台积电又是如何凭借CoWos独霸世界的?

科技   2024-11-01 12:02   北京  
CoWos是台积电先进封装技术的专有名词,这一波AI浪潮,CoWos也是关键的推手。可以说,没有CoWos,就没有现在AI的发展,也就没有现在如日中天的NVIDIA(英伟达)。


CoWos的历史

CoWoS(Chip on Wafer on Substrate)技术的发展可以追溯到大约15年前,具体来说,是从台积电(TSMC)开始考虑如何克服摩尔定律即将面临的物理限制时开始的。
2009年,台积电创始人张忠谋,召回了被称为“蒋爸”的蒋尚义回到公司。蒋尚义提出发展先进封装技术的想法,认为随着摩尔定律逐渐接近极限,必须寻找新的发展方向。当时,台积电的晶圆制造技术已经向更小的纳米级发展,但封装技术中的导线宽度却没有相应缩小。因此,蒋尚义认为进入封装领域可以超越现有技术限制。
经过实验,他们发现使用传统封装技术会导致芯片间的数据传输速度损失40%,而先进封装技术可以弥补这一缺陷。蒋尚义获得了张忠谋的支持,得到了400名研发工程师和1亿美元的资金投入,开始研发CoWoS技术。
起初,由于成本较高,CoWoS技术并未得到广泛采用,只有Xilinx少量订购。面对客户反馈,蒋尚义没有放弃,而是致力于降低成本,要求团队研发更便宜的版本。经过一年的努力,他们推出了改良版的先进封装技术,这也成为他们日后可以打败三星、Intel的关键因素,随着高性能计算(HPC)和人工智能(AI)领域的需求增长,CoWoS技术因其高集成度和优异性能而受到越来越多的关注。


CoWos技术

CoWos的全称是Chip on Wafer on Substrate,通过在一个硅中介层(Interposer)上集成多个芯片(处理器和存储器),形成一个高性能的封装解决方案。就是先将芯片通过Chip on Wafer(CoW)的封装制程连接至硅晶圆,再把CoW 芯片与基板连接,整合成CoWoS;利用这种封装模式,使得多颗芯片可以封装到一起,透过Si Interposer 互联,达到了封装体积小,功耗低,引脚少的效果。
CoWoS 工艺流程包含多项步骤,根据中国台湾大学资料,CoWoS 封装流程可大致划分为三个阶段:
在第一阶段,将裸片(Die)与中 介层(Interposer)借由微凸块(uBump)进行连接,并通过底部填充(Underfill)保护芯片与中介层的连接处。
在第二阶段,将裸片(Die)与载板(Carrier)相连接,根据艾邦半导 体网,封装基板(载板)是一类用于承载芯片的线路板,属于 PCB 的一个 技术分支,也是核心的半导体封测材料,具有高密度、高精度、高性能、小 型化及轻薄化的特点,可为芯片提供支撑、散热和保护的作用,同时也可为 芯片与 PCB 母板之间提供电气连接及物理支撑。在裸片与载板相连接后, 利用化学抛光技术(CMP)将中介层进行薄化,此步骤目的在于移除中介层 凹陷部分。
在第三阶段,切割晶圆形成芯片,并将芯片连结至封装基板。最后加上 保护封装的环形框和盖板,使用热介面金属(TIM)填补与盖板接合时所产 生的空隙。

可能还是很难理解,简单来说就是我们可以把CoWos理解成一种拉近晶片与晶片之间距离进而促进运算效率的技术,网上有一种解释很形象:如果把晶片(处理器和存储器)想象成是一排排大楼,那CoWos就是可以把每栋大楼都盖的很近,甚至还有天桥和地下通道连接。这也就可以加速晶片之间的互联效率。而没有CoWos之前,每栋大楼独立存在,互联效率非常低。


封装技术的发展

芯片封装由2D 向 3D 发展,衍生出多种不同的封装技术。在封装技术不断升级迭代的过程中,出现了系统级封装(SiP)等新的封装方式。技术实现的方法包括 2.5D 封装(Interposer、RDL)、3D 封装(TSV)、倒装 FC(Flip Chip)、 凸块(Bumping)、晶圆级封装 WLP(Wafer Level Package)、CoWoS (Chip on Wafer on Substrate)、InFO (Integrated Fan-Out)、EMIB (Embedded Multi-die Interconnect Bridge)等先进封装技术。

CoWoS是一项 2.5D 多芯 片封装技术,2.5D 封装是一种先进的异构芯片封装,具备低成本、高性能和可靠性 等优势。在 2.5D 封装中,芯片被并排放置在中介层 (interposer)的顶部,通过芯片上微小凸块(uBump)和中介层内的布线来 实现彼此之间的互连。中介层通过硅通孔(TSV)来实现不同层之间的互连, 然后通过锡球(C4)焊接到传统 2D 封装基板上。这种设计架构提供了更高 的集成度和性能,允许多个芯片之间的高速数据传输和资源共享,从而实现 了更强大的计算能力和更高效的能源利用。根据 ASE 官网,2.5D 封装具备 多种优势,其优势主要包括:超高布线密度(L/S:0.4/0.4 微米),超高 I/O 密度(大于 400 µbumps/mm² )和 I/O 间距可扩展性,支持同构/异构存储 器、电源/光学器件集成,可嵌入去耦电容或有源器件的中间件,以及出色 的封装可靠性。2.5D 封装在现代微电子技术领域中扮演着至关重要的角色, 并被广泛应用于各种领域,如高性能计算、人工智能、网络通信等。2.5D 架构已与堆叠式内存模块(例如高带宽内存)搭配使用,以进一步提高性能。


CoWoS封装的三类条线

CoWoS 布局三类条线,满足复杂需求。CoWoS 可细分为 S、R、L 三 类条线,分别为硅中介层(Si Interposer)、重布线层(RDL)与局部硅互联技术(LSI)。

CoWoS-R 采用 InFO 技术并应用 RDL 中介层,以 提供芯片间的互连服务S,重点应用于 HBM(高带宽内存)和 SoC 异构集 成中。RDL 中介层由聚合物和铜引线构成,具备一定的灵活性,并能够拓 展封装尺寸以满足更为复杂的功能需求。

CoWoS-R 技术的主要特点包括以下三方面。首先,RDL 互连器由多达 6L 层铜线组成,最小间距为 4um (线宽/间距为 2um)。第二,互连具有 良好的信号和电源完整性性能,路由线的 RC 值较低,可实现较高的传输 数据速率。共面 GSGSG 和层间接地屏蔽以及六个 RDL 互连提供了卓越 的电气性能。第三,RDL 层和 C4/UF 层因 SoC 与相应基板之间的 CTE 不匹配而提供了良好的缓冲效果。C4 凸块的应变能量密度大大降低。
目前主流解决方案为 CoWoS-S,随着算力加速卡需求持续 攀升,使用 CoWoS 封装技术的需求有望持续扩大。根据台积电官网,CoWoS 平台为高性能计算应用提供了同类最佳的性能和最高的集成密度。这种晶 圆级系统集成平台可提供多种插层尺寸、HBM 立方体数量和封装尺寸。它 可以实现大于 2 倍封装尺寸(或约 1,700 平方毫米)的中阶层,集成具有 四个以上 HBM2/HBM2E 立方体的领先 SoC 芯片。

CoWoS-L 在一定程度上融合了 CoWoS-S 和 InFO 技术的优势,以实 现高度灵活的集成。该方案采用中介层与局部硅互联(LSI)进行芯片间的 互连,同时利用 RDL 层实现电源和信号传输。该技术将进一步扩展至更大 的尺寸,以容纳更多芯片的集成。其特点包括能在高速传输中提供低损耗的 高频信号;以及能够在 SoC 芯片下面集成额外的元件。


第5代CoWoS技术

2021 年,台积电发布第 5 代 CoWoS 技术,效能大幅提升。CoWoS-S5 通过将插层尺寸扩大到 3 倍 rectile limit(2500 mm²),可在单个插层上集成 3 个或更多逻辑芯片组 和 8 个 HBM。与上一代 CoWoS 相比,更大的尺寸与先进的节点顶层芯片 相结合,可多集成近 20 倍的晶体管和 2 倍的内存堆栈(从 4 个增加到 8 个)、CoWoS-S5 除了增加了硅中介层的尺寸外,还增加了部分新功能,以 进一步提高其电气和热性能。

第五代 CoWoS 使用全新 TSV 方案并增加中阶层面积,通过增加中介层面积,使用了全新的 TSV 解决方案,以及更厚的铜连接线,有助于产品效能 大幅提升。在 CoWoS-S5 中,台积电采用 4 份全幅光罩(Mask)进行拼接 并通过 RDL 将光罩重合处的互联部分做到一致,通过拼接构成连续线路。CoWoS-S5 引入新的金属堆栈、新的亚微米层(双镶嵌线路),以解决 信号完整性问题。HBM2E 存储堆栈应用于本代 interposer 已得到验证,其传输速率为 3.2GT/s。未来将采用 HBM3,速率将提升至 4GT/。CoWoS-S5 开发出了 5 层超低电阻互连的新金属方案,以支持 HBM3。新方案将金属迹线片电阻和通孔接触电阻都降低了 50%以上,但最小线宽/空 间仍保持在亚微米以下,满足高密度布线的先决条件。在 CoWoS-S5,对良 品率模式进行了监测,没有发现电阻损失或漂移。此外,这种新的互连方案 还通过了电迁移(EM)、应力迁移(SM)和时间相关介质击穿(TDDB)测 试,没有出现任何故障。高纵横比硅通孔(TSV)是硅互插技术中最关键的部分。根据上述论文, 它提供正面到背面的连接,并允许高速电信号从逻辑芯片直接传递到基板 和印刷电路板。但 TSV 在高频率下工作时会造成信号损耗和失真,原因是 其尺寸较大(深度约为 100 微米),所用材料也较多(埋在有损耗的硅基板 内)。CoWoS-S5 重新设计了 TSV,以尽量减少这种影响。对比已进行完优 化的CoWoS-S5 TSV与上上一代产品的射频测量特性,第五代插入损耗(S21) 更低,从而改善了信号完整性。

CoWoS-S5 有两种热解决方案,分别是环型封装与带散热器的盖型封 装。环型封装,裸片背面暴露在外,可与散热器直接接触;带散热器的盖型封装,在盖和裸片之间插入热界面材料(TIM),以提供连 续的热界面。对于盖型封装方案,凝胶型 TIM 已使用了很长时间,工艺也 比较成熟。然而,3-10 W/K 的热导率和可靠性的覆盖退化无法满足 HPC 和人工智能领域的高功率要求。故在 CoWoS-S5 中,采用了新型非凝胶 TIM ,其导热系数大于 20 W/K,TIM 覆盖率达到 100%,在 TCG1000x、 uHAST264h 和 TSAM 测试后无明显衰减,可靠性测试后热阻衰减小于 10%。

注:文中部分内容参考自甬兴证券《CoWoS 技术引领先进封装,国内 OSAT 有望受益》。

END

作者:张海军

来源:傅里叶的猫


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