臺(tái)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(mǎn)足高性能計(jì)算（HPC）和人工智能（AI）的計(jì)算需求，人們需要一種可擴(kuò)展的封裝。片上基板（CoWoS）是一種先進(jìn)的封裝技術(shù)，具有封裝尺寸更大、I/O 連接更多的優(yōu)勢(shì)。它允許 2.5D 和 3D 組件堆疊，實(shí)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(dāng)代數(shù)據(jù)中心則采用高帶寬內(nèi)存（HBM）來(lái)提高內(nèi)存容量和帶寬。CoWoS 技術(shù)可在同一集成電路平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)邏輯 SoC 和 HBM 的異質(zhì)集成。

圖片來(lái)源：臺(tái)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(gè)內(nèi)聚系統(tǒng)。通過(guò)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(zhǎng)度、降低功耗并增強(qiáng)信號(hào)完整性。

在實(shí)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(wú)縫集成。這種集成對(duì)于人工智能應(yīng)用尤為重要，因?yàn)樵谌斯ぶ悄軕?yīng)用中，大規(guī)模計(jì)算能力和快速數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)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(lái)前所未有的性能提升。

CoWoS 封裝的優(yōu)勢(shì)

CoWoS 技術(shù)具有多種優(yōu)勢(shì)：

擴(kuò)展性和更高的集成度：傳統(tǒng)上，按照摩爾定律擴(kuò)展晶體管有助于滿(mǎn)足對(duì)更高性能的需求。但事實(shí)證明，這對(duì)于高性能計(jì)算（HPC）、人工智能甚至圖形處理器（GPU）等現(xiàn)代應(yīng)用來(lái)說(shuō)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(qiáng)熱管理：硅內(nèi)插件和有機(jī)內(nèi)插件的使用大大增強(qiáng)了堆疊集成電路的熱管理能力。這直接提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和壽命，同時(shí)最大限度地降低了熱節(jié)流風(fēng)險(xiǎn)。
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(shí)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(gè)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(duì)比，在傳統(tǒng)封裝技術(shù)中，多個(gè)邏輯 SoC 需要安裝在一塊印刷電路板（PCB）上，并在封裝中進(jìn)行必要的連接。這導(dǎo)致封裝尺寸增大，材料成本和制造費(fèi)用增加。CoWoS 封裝整體更小，成本效益更高。

CoWoS 技術(shù)的市場(chǎng)動(dòng)態(tài)

1. 需求驅(qū)動(dòng)因素

人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析和移動(dòng)計(jì)算等技術(shù)的蓬勃發(fā)展導(dǎo)致對(duì)計(jì)算能力的需求日益增長(zhǎng)。

現(xiàn)代社會(huì)對(duì)計(jì)算能力的高需求促進(jìn)了人工智能芯片的發(fā)展，推動(dòng)了對(duì) CoWoS 等先進(jìn)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(zhǎng)，2023 年達(dá)到近 120 萬(wàn)臺(tái)，預(yù)計(jì) 2022 年至 2026 年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為 22%。

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

2. 供需動(dòng)態(tài)

由于供應(yīng)短缺，臺(tái)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(tái)積電計(jì)劃將 CoWoS 產(chǎn)能提高一倍，并投資先進(jìn)的封裝廠(chǎng)，以期在 2024 年底前緩解供需失衡問(wèn)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(tái)灣公司正在進(jìn)入 CoWoS *封裝市場(chǎng)，擴(kuò)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(lèi)：

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

圖 1：CoWoS-S 封裝

CoWoS-R：這項(xiàng)技術(shù)用有機(jī)插層取代了 CoWoS-S 的硅插層。有機(jī)插層具有細(xì)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?yàn)橛袡C(jī)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(wèn)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(diǎn)，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(wèn)題。在某些實(shí)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?yàn)槭紫纫圃熘虚g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?yàn)槎鄠€(gè)晶圓芯片（如 SoC、HBM 等）都安裝在中間膜上，中間膜實(shí)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(gè) RDL 層

一層位于中間膜正面，通過(guò) μ 凸塊連接晶片和基板。
第二層 RDL 位于中間膜背面，通過(guò) 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(dāng)電荷庫(kù)，滿(mǎn)足運(yùn)行高速計(jì)算應(yīng)用時(shí)的瞬時(shí)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(rèn)為是近來(lái)高性能計(jì)算和人工智能芯片成本增加的一個(gè)重要原因。CoWoS 的測(cè)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(jìn)行測(cè)試，以確保它們不存在任何制造缺陷。然而，測(cè)試 2.5D 或 3D 集成電路的難度要大得多，因?yàn)樵趯⒚總€(gè)晶圓裸片安裝到插接器上之前，都需要對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試，安裝后還需要再次測(cè)試。除此之外，還需要對(duì)硅通孔（TSV）進(jìn)行測(cè)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(wèn)題，這是因?yàn)橹虚g膜與基底之間的熱膨脹系數(shù) （CTE）不同。使用有機(jī)中間膜可在一定程度上限制熱問(wèn)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(zhǎng)焊點(diǎn)的使用壽命。

同樣，在正面，再分布層（RDL）的完整性，尤其是兩個(gè)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(hào)和電源完整性方面的電氣挑戰(zhàn)。

（1）信號(hào)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(huì)導(dǎo)致互連信號(hào)傳輸性能下降。為解決這一問(wèn)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(jí)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(jì)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(jì)算（HPC）。
人工智能（AI）和機(jī)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(dá)公司（NVIDIA）的人工智能芯片依賴(lài)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(tái)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(mǎn)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(tái)積電合作，將 CoWoS 用于其人工智能、高性能計(jì)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(kuò)展以滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的計(jì)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(jìn)一步增加插層面積，使更多晶圓能夠共享同一基板。未來(lái)幾年，CoWoS 將繼續(xù)推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[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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