AIGC 帶動 CoWoS 先進封裝需求

 隨著摩爾定律放緩, 晶片特徵尺寸接近物理極限, 先進封裝成為提升晶片性能, 延續摩爾定律的重要手段. 先進封裝是指處於前沿的封裝形式和技術, 通過優化連接, 在同一個封裝內集成不同材料, 線寬的半導體集成電路和器件等方式, 提升集成電路的連接密度和集成度.

AIGC 帶動先進封裝需求. TrendForce 報告指出, 生成式 AI 應用爆發式增長, 帶動 2023 年 AI 伺服器開發大幅擴張. 這種對高端 AI 伺服器的依賴, 需要使用高端 AI 晶片, 這不僅將拉動 2023~2024 年 HBM 的需求, 而且預計還將在 2024 年帶動先進封裝產能增長 30~40%.

先進封裝處於晶圓制造與封測制程中的交叉區域, 涉及 IDM, 晶圓代工, 封測廠商. 先進封裝要求在晶圓劃片前融入封裝工藝步驟, 具體包括應用晶圓研磨薄化, 重布線 (RDL), 凸塊制作 (Bumping) 及矽通孔 (TSV) 等工藝技術.  前後道大廠爭先布局先進封裝, 競爭格局較為集中.

先進封裝的四要素是 Bump, RDL, Wafer 和 TSV. RDL 技術使得晶圓級封裝得以在 X-Y 平面進行延伸, 誕生了 WLCSP, FOWLP, INFO, FOPLP, EMIB等技術. 基於 TSV 技術, 封裝系統沿著 Z 軸進行延伸, 實現了二維向三維的拓展, 出現了 2.5D 和 3D 集成.

起初晶圓級封裝  (WLP) 技術採用 Fan-in 形態, 隨著引腳數要求增加, Fan-out 形態逐漸成為主流; 而後出於提升系統性能的目標, 台積電將多個晶片 Fan-out 工藝集成起來, 誕生了 INFO 技術; 而從節省成本的角度出發, 單個晶片的 FOWLP 技術又進一步發展出面板級封裝技術 (FOPLP).

3D Fabric 是台積電的先進封裝技術品牌, 涵蓋了多種 2.5D 和 3D 封裝技術. 3D Fabric可以分為兩個部分, 前端晶片堆疊技術 SoIC 系列, 以及後端先進封裝技術 InFO 和 CoWoS 系列. 前端的集成晶片系統技術 (SoIC), 致力於將多個 die 直接堆疊在一起, 而不涉及後端封裝中的凸塊等工藝.

CoWoS-S 採用矽中介層, 可以為高性能計算應用提供更高的性能和晶體管密度; CoWoS-R 採用 RDL 中介層, 利用 InFO 技術進行互連, 更強調小晶片間的互連;  CoWoS-L 融合 CoWoS-S 和 InFO 技術優勢, 使用夾層與 LSI (局部矽互連) 晶片進行互連, 使用 RDL 層進行電源和信號傳輸, 提供了靈活的集成.

台積電的 InFO 技術使用聚醯亞胺 (polyamide) 代替 CoWoS 中的矽中介層, 降低了成本和封裝高度, 促進大規模生產應用. InFO 具有高密度的 RDL, 適用於行動, 高性能計算等需要高密度互連和性能的應用.

SoIC 與 InFO/CoWoS 並非並列, 替代關系, 而是將 InFO/CoWoS 所用到的單顆 SoC 替換成了經過 3D 堆疊的多顆 SoC. SoIC 是台積電異構小晶片封裝的關鍵, 具有高密度垂直堆疊性能, 與 CoWoS 和 InFO 技術相比 SoIC 可以提供更高的封裝密度和更小的鍵合間隔.

CoWoS-S 是目前最主流的處理器和 HBM 互連的 2.5D 封裝方案, 但是大面積矽中介層的工藝成本居高不下; CoWoS-R 和 CoWoS-L 技術的推廣和應用尚需主流廠商驗證; Intel 的 EMIB 理論上來說具有更低的成本和更好的靈活性, 但是其實際應用中成本和性能方面和 CoWoS-S 的比較尚未有定論.

通過 Chip on Wafer (CoW) 的封裝制程連接至矽晶圓, 再把 CoW 晶片與基板 (Substrate) 連接, 整合成 CoWoS. 核心是將不同的晶片堆疊在同一片矽中介層實現多顆晶片互聯. 在矽中介層中, 台積電使用微凸塊 (μBmps), 矽通孔 (TSV) 等技術, 代替了傳統引線鍵合用於裸片間連接, 大大提高了互聯密度以及數據傳輸帶寬.

2.5D/3D 封裝主要包括中段晶圓級封裝+後段封裝. 以台積電 CoWoS 封裝為例: 1) 晶圓級封裝: 計算核心等晶片晶圓制造完成後在重構晶圓上制造 RDL 和 bump; 2) COW: 將計算核心, I/O die, HBM 等晶片封裝在 Interposer 上; 3) oS: 完成 CoW 封裝的整個系統在封裝基板上封裝, 其封裝方式與傳統的 FCBGA 的後段封裝基本類似.

應用對設備的需求拉動來自兩方面: 1) 晶圓級封裝設備: 晶圓級封裝需要的設備與前道晶圓制造類似, 涉及光刻機, 塗膠顯影設備, 薄膜設備, 電鍍設備, 刻蝕設備, 清洗設備, 量測設備等. 2) 後道封測設備: 依舊需要和傳統封裝類似的封裝和測試環節.