CoWoS先进封装技术介绍 CoWoS-R技术主要特点分析

随着摩尔定律放缓，芯片特征尺寸接近物理极限，先进封装成为提升芯片性能，延续摩尔定律的重要手段。先进封装是指处于前沿的封装形式和技术，通过优化连接、在同一个封装内集成不同材料、线宽的半导体集成电路和器件等方式，提升集成电路的连接密度和集成度。

CoWoS是什么？

1 后摩尔时代，先进封装成为提升芯片性能重要解法1.1 摩尔定律放缓，先进封装日益成为提升芯片性能重要手段1.2 先进封装份额占比提升，2.5D/3D 封装增速领先先进封装1.3 先进封装处于晶圆制造与封测的交叉区域2 CoWoS：台积电的 2.5D 先进封装技术2.1 CoWoS-S：最经典的 CoWoS 技术，以硅基板作为中介层2.2 CoWoS-R：使用 RDL 替代硅作为中介层 2.3 CoWoS-L：使用小芯片和 RDL 作为中介层，融合 CoWoS-S 和 InFO 技术优点 3 超越摩尔（MtM）提速，制造设备为关键3.1 光刻设备是超越摩尔的支柱，键合设备推动先进封装3.2 MtM 设备（W2W 永久键合、光刻、临时键合和解键合设备）相关工艺与流程 3.3 MtM 设备市场规模 3.4 MtM 设备厂商

本文来自“CoWoS（Chip On Wafer On Substrate）是台积电的一种 2.5D 先进封装技术，由 CoW 和 oS 组合而来：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（Substrate）连接，整合成 CoWoS。核心是将不同的芯片堆叠在同一片硅中介层实现多颗芯片互联。在硅中介层中，台积电使用微凸块（μBmps）、硅通孔（TSV）等技术，代替了传统引线键合用于裸片间连接，大大提高了互联密度以及数据传输带宽。CoWoS 技术能够提高系统性能、降低功耗、缩小封装尺寸，也为台积电在后续的封装技术保持领先奠定了基础。

根据采用的不同的中介层（interposer），台积电把 CoWoS 封装技术分为三种类型——CoWoS-S（Silicon Interposer）、CoWoS-R（RDL Interposer）以及CoWoS-L（Local Silicon Interconnect and RDL Interposer）。

1、CoWoS-S：最经典的 CoWoS 技术，以硅基板作为中介层 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 ，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。

CoWoS-S 从 2011 年的第一代升级到 2021 年的第五代，第六代技术有望于2023 年推出，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 0.15 倍。

2、CoWoS-R：使用 RDL 替代硅作为中介层 CoWoS-R（RDL Interposer）是使用有机基板/重新布线层（RDL）替代了硅（Si）作为中介层的先进封装技术。CoWoS-R 采用 InFO 技术使用 RDL 作为中介层并为 chiplets 之间的互连提供服务，特别是在 HBM（高带宽存储器）和 SoC 异构集成中。RDL 中介层由聚合物和铜走线组成，机械灵活性相对较高，这种灵活性增强了 C4 接头的完整性，并允许新封装可以扩大其尺寸以满足更复杂的功能需求。

CoWoS-R 技术的主要特点包括： 1）RDL interposer 由多达 6L 铜层组成，用于最小间距为 4um 间距（2um 线宽/间距）的布线。 2）RDL 互连提供良好的信号和电源完整性性能，路由线路的 RC 值较低，可实现高传输数据速率。共面 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）RDL 层和 C4/UF 层由于 SoC 与相应衬底之间的 CTE 不匹配而提供了良好的缓冲效果。C4 凸块的应变能密度大大降低

3、CoWoS-L：使用小芯片和 RDL 作为中介层，融合 CoWoS-S 和 InFO技术优点 CoWoS-L（Local Silicon Interconnect and RDL Interposer）是使用小芯片（chiplet）和 RDL 作为中介层（硅桥）的先进封装技术，结合了 CoWoS-S 和InFO 技术的优点，具有灵活的集成性。CoWoS-L 使用内插器与 LSI（本地硅互连）芯片进行芯片间互连，以及用于电源和信号传输的 RDL 层，从 1.5 倍 reticleinterposer 尺寸和 1 倍 SoC+4 倍 HBM 立方体开始，并将向前扩展，将包络扩大到更大的尺寸，以集成更多芯片。

CoWoS-L 服务的主要功能包括： 1）LSI 芯片，用于通过多层亚微米铜线实现高布线密度晶粒互连。LSI 芯片可以在每个产品中具有多种连接架构（例如 SoC 到 SoC、SoC 到 chiplet、SoC 到HBM 等），也可以重复用于多个产品。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，正面和背面具有宽间距的 RDL 层，TIV（通过中介层通孔）用于信号和功率传输，可在高速传输中提供低高频信号损失。

编辑：黄飞