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一文读懂CoWoS、CoPoS、CoWoP!先进封装三巨头,谁是未来?

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CoWoS、CoPoS、CoWoP 三大先进封装技术详解

随着摩尔定律逐渐逼近物理极限,芯片制程微缩效益有限,业界正寻求新的破口,而先进封装(Advanced Packaging)成为近年最受瞩目的技术之一。随着台积电的CoWoS产能逐渐供不应求,业界陆续出现CoPos、CoWoP等新技术,但这两个技术和CoWoS差在哪里?何时开始导入?《科技新报》整理相关信息带你一次看。

从下图可以看到,其实CoWoS、CoPos、CoWoP堆叠方式有些不同,例如CoPoS主要是将中介层改成面板RDL;CoWoP则是通过开发技术含量较高的PCB主机板,来取代IC载板。

接着,我们来仔细介绍这三项技术的主要差异,但在此之前,要先了解这些延伸技术的根源──台积电的先进封装CoWoS。

台积电先进封装技术CoWoS,还细分为CoWoS-S、CoWoS-R、CoWoS-L路线图

CoWoS是台积电的2.5D、3D封装技术,可分成「CoW」和「WoS」来看。

CoW(Chip-on-Wafer)是芯片堆叠,WoS(Wafer-on-Substrate)则是将芯片堆叠在基板上,所以CoWoS(Chip-on-Wafer-on-Substrate)的意思是把芯片堆叠起来,再封装于基板上,最终形成2.5D、3D的形态,可节省芯片的空间,同时减少功耗和成本。

CoWoS是先将逻辑芯片与HBM(高带宽存储器)安装在硅中介层(Interposer)上,通过中介层内部微小金属线来整合左右不同芯片的电子信号,同时经由硅穿孔(TSV)来连接下方基板,将信号导向下方,最终通过金属球(凸块)与外部电路衔接。

其中,CoWoS技术又分成CoWoS-R、CoWoS-L和CoWoS-S三种技术,因中介层材质不同,成本也有所差异,客户可依据自身条件选择合适的技术。

目前成本最高的是CoWoS-S,因为其中介层采用「硅」(Silicon),也是主流方案,如NVIDIA H100、AMD MI300都使用CoWoS-S。然而,CoWoS-S因使用高纯度硅材与TSV制程,加工难度大,且中介层面积受光刻机台限制,封装尺寸上限大约为2500平方毫米。

▲CoWoS-S

Source:台积电,下同

CoWoS-R采用InFO中用到的互连技术,其中介层使用RDL(重布线层)来连接小芯片,支持弹性封装设计,适合对成本较为敏感的AI ASIC应用、网通设备或边缘AI。

▲CoWoS-R

至于CoWoS-L,其成本介于CoWoS-S、CoWoS-R之间,中介层使用LSI(局部硅互连,Local Silicon Interconnect)和RDL,即局部区域以硅中介层串联芯片,其他区域用RDL或基板,实现密集的芯片与芯片连接,支持高达12颗HBM存储器的堆叠应用,可说结合CoWoS-S和CoWoS-R/InFO的技术优点。

▲CoWoS-L

台积电高效能封装整合处处长侯上勇在Semicon Taiwan 2024专题演讲中提到,由于顶部芯片(Top Die)成本非常高,CoWoS-L是比CoWoS-R、CoWoS-S更能满足所有条件的最佳方案,因此台积电会从CoWoS-S逐步转移至CoWoS-L,并称CoWoS-L是未来蓝图要角。

有趣的是,也有人认为CoWoS-L意思是「Large」,专为超大型AI训练平台与高整合度应用而设计,延续CoWoS-S架构,但进一步突破硅中介层尺寸限制,开发可支持超过2500平方毫米的超大面积中介层技术。

▲CoWoS技术路线图

Source:科技新报整理

CoWoS「面板化」!解决成本、大尺寸芯片翘曲问题

了解CoWoS的技术分支后,接着来聊聊CoPoS和CoWoP。

由于AI芯片越来越大、设计越来越复杂,传统的圆形晶圆在面积利用率和封装效率逐渐受限,因此开始走向「以方代圆」,以面板(Panel)取代晶圆(Wafer),将芯片排列在矩形基板上,最后再通过封装制程连接到底层的载板上,让多颗芯片可以封装一起,也就是所谓的「CoPoS」(Chip-on-Panel-on-Substrate)。

▲CoPoS示意图

Source:亚智科技

CoPoS是将芯片排列在方形「面板RDL层」,取代原来圆形的硅中介层,强化不同导电层与材料间的电路互连布局,提升面积利用率与产能。此外,因导入玻璃或蓝宝石等新材料,方形尺寸可进行多颗芯片封装、整合不同尺寸芯片,同时支持更大光罩、缓解芯片越大越明显的翘曲问题。

业界分析,CoPoS是CoWoS-L或CoWoS-R的「矩形」变形概念,将传统300毫米硅晶圆改为方形面板设计,尺寸310×310毫米、515×510毫米或750×620毫米等,目前供应链研发方向皆以台积电释出的规格为主。不过CoPoS初步选定的尺寸为310×310毫米。

业界传出,台积电预计2026年设立首条CoPoS实验线,目标2028年底至2029年之间实现量产,第一个客户就是NVIDIA。此外,未来CoPoS封装的方向,主要锁定AI等高阶应用,采用CoWoS-R制程的将锁定博通,CoWoS-L则目标服务NVIDIA及AMD。

至于CoPoS与FOPLP(扇出型面板级封装,Fan-out Panel Level Packaging)差异在哪?前者用于AI高阶芯片、中介层材料是从硅转为玻璃,而后者用于PMIC、RFIC等低成本芯片的成熟制程,并不需要中介层,直接通过RDL互连。

砍掉封装基板、BGA,CoWoP能成为CoWoS下个主要路线吗?

「CoWoP」(Chip-on-Wafer-on-Platform PCB),是今年新出现的先进封装路线。

该消息来自“华尔街见闻”,是NVIDIA从业12年的技术人员Anand Mannargudi在公司内部技术的简报上的内容。目前有消息称,NVIDIA将在Rubin GPU系列的GR150芯片上,同时采用CoWoP与CoWoS两种封装技术。

▲CoWoP图示

Source:华尔街见闻、JPM

从图片可知,CoWoS包括GPU等逻辑IC、HBM、中介层、封装基板(Package Substrate),但实际上,封装基板下还要通过BGA(球栅阵列,Ball Grid Array)与PCB主机板(Platform PCB)连接。

由于CoWoS结构堆叠的「层级过多」,如同盖楼一样不断堆叠,但当楼层越高的时候,信号和电力要从底部传输到顶楼的距离就越长,损耗、成本也高。

因此,CoWoP打算把部分楼层拿掉,即直接砍掉成本高昂的封装基板和BGA,并开发出技术含量较高的PCB主机板,使其直接承担高精密度信号与电源布线,再将「芯片和中介层」这个组合直接安装在PCB主机板上。如此一来,芯片信号可直接从中介层走到PCB主机板,使互连路径更短、提升信号完整性、散热更好等。

目前NVIDIA正在测试CoWoP技术,而台系供应链业者也证实,取代ABF载板的PCB主机板已正式送样给NVIDIA进行测试验证。

▲CoWoS、CoPoS、CoWoP技术进展

Source:科技新报整理

等等,那WMCM技术又是什么?

虽然这次主要都在讲CoWoS和其延伸路线,但今年还有一个「WMCM」(晶圆级多芯片模块,Wafer-Level Multi-Chip Module)也相当值得关注,因为苹果2026年将推出iPhone 18,其搭载的A20处理器将使用这项技术。

据悉,WMCM是台积电InFO-PoP的升级版,为台积电与苹果共同研发、属于「苹果专用」的封装技术。

InFO-PoP是将存储器直接堆叠在移动处理器上方,当存储器容量增加时,散热便成为问题。因此,WMCM是通过将IC逻辑芯片与DRAM进行平面封装,取代传统上下堆叠的方式,以RDL取代中介层。

▲WMCM示意图

(Source:投资伊森YouTube截图)

由于WMCM使SoC、DRAM等不同元件在晶圆阶段即整合完成,再切割为单颗芯片,因此不需要使用中介层或基板来连接晶粒,可改善散热与信号完整性。

▲InFO和WMCM技术比较

(Source:科技新报)

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