什麼是 CoWoS?用最簡單的方式帶你了解半導體封裝!

作者 | 發布日期 2023 年 08 月 09 日 9:00 | 分類 半導體 , 封裝測試 , 晶圓 line share follow us in feedly line share
什麼是 CoWoS?用最簡單的方式帶你了解半導體封裝!


過去數十年來,為了擴增晶片的電晶體數量以推升運算效能,半導體製造技術已從 1971 年 10,000nm製程進步至 2022 年 3nm 製程,逐漸逼近目前已知的物理極限,但隨著人工智慧、AIGC 等相關應用高速發展,設備端對於核心晶片的效能需求將越來越高;在製程技術提升可能遭遇瓶頸,但是運算資源需求持續走高的情況下,透過先進封裝技術提升晶片之電晶體數量就顯得格外重要。

半導體先進封裝技術

這兩年「先進封裝」被聊得很多,「封裝」大概可以類比為對電子晶片的保護殼,保護電路晶片免受外界環境的不良影響。當然晶片封裝還涉及到固定、散熱增強,以及與外界的電氣、訊號互連等問題,而「先進封裝」的核心還在「先進」二字上,主要是針對 7nm 以下晶圓的封裝技術;然而,人工智能浪潮下,帶動 AI 伺服需求成長,也帶動輝達 GPU 繪圖晶片需求,而 GPU 的 CoWoS 先進封裝產能供不應求,那究竟什麼是 CoWoS?

什麼是 CoWoS?

CoWoS 是一種 2.5D、3D 的封裝技術,可以分成「CoW」和「WoS」來看。「CoW(Chip-on-Wafer)」是晶片堆疊;「WoS(Wafer-on-Substrate)」則是將晶片堆疊在基板上。CoWoS 就是把晶片堆疊起來,再封裝於基板上,最終形成 2.5D、3D 的型態,可以減少晶片的空間,同時還減少功耗和成本。下圖為 CoWoS 封裝示意圖,將邏輯晶片及 HBM(高頻寬記憶體)先連接於中介板上,透過中介板內微小金屬線來整合左右不同晶片的電子訊號,同時經由「矽穿孔(TSV)」技術來連結下方基板,最終透過金屬球銜接至外部電路。

而 2.5D 與 3D 封裝技術則是差別在堆疊方式。2.5D 封裝是指將晶片堆疊於中介層之上或透過矽橋連結晶片,以水平堆疊的方式,主要應用於拼接邏輯運算晶片和高頻寬記憶體;3D 封裝則是垂直堆疊晶片的技術,主要面向高效能邏輯晶片、SoC 製造。

▲2.5D和3D封裝的差異(圖片來源:Ansys)

先進封裝,但不在封裝廠完成!

說到先進封裝,首先想到的會是台積電而非傳統封測大廠,因為先進封裝已經面臨到 7nm 以下,而傳統封裝廠研發速度已無法跟進晶圓製程的腳步,其中 CoWoS 中的 CoW 部分過於精密,只能由台積電製造,所以才會造就這番景象。同時,台積電擁有許多全世界的高階客戶,為此「一條龍」的服務更能同時維持製程與封裝部分的良率,未來面對高階客戶的交付工作也將更為極致。

CoWoS的應用發展

高階晶片走向多個小晶片、記憶體,堆疊成為必然發展趨勢,CoWoS 封裝技術應用的領域廣泛,包含高效能運算 HPC、AI 人工智能、數據中心、5G、物聯網、車用電子等等,可以說在未來的各大趨勢,CoWoS 封裝技術會扮演著相當重要的地位。

過去的晶片效能都仰賴半導體製程的改進而提升,但隨著元件尺寸越來越接近物理極限,晶片微縮難度越來越高,要保持小體積、高效能的晶片設計,半導體產業不僅持續發展先進製程,同時也朝晶片架構著手改進,讓晶片從原先的單層,轉向多層堆疊。也因如此,先進封裝也成為延續摩爾定律的關鍵推手之一,在半導體產業中引領浪潮。

(首圖來源:台積公司部落格)

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