【導讀】在人工智能、高性能計算與數據中心芯片向超高密度、超低延遲迭代的浪潮中，臺積電主導的CoWoS先進封裝技術成為核心支撐，更是“超越摩爾”時代異構集成的關鍵抓手。這項2.5D封裝技術以硅中介層為核心樞紐，通過芯片-晶圓-基板的分層集成邏輯，突破了傳統(tǒng)單芯片設計的物理與性能邊界。本文將從技術本質與核心架構出發(fā)，拆解CoWoS的封裝原理及中介層的核心作用，深入分析其在性能、尺寸、可靠性上的獨特優(yōu)勢。
一、技術本質與核心架構
1.名稱拆解與封裝原理
CoW（Chip-on-Wafer）：首先將多個功能芯片（如 GPU、CPU、AI 加速芯片等邏輯芯片及高帶寬存儲器 HBM 裸片）通過微凸塊（Micro-Bumps）或混合鍵合技術垂直堆疊并互連到一片硅晶圓中介層上，形成高密度的芯片堆疊體（CoW 模組）。
WoS（Wafer-on-Substrate）：再將上述 CoW 模組整體通過硅通孔（TSV）及再分布層（RDL）連接到更大尺寸的有機基板上，最終實現完整的封裝體，與外部系統(tǒng)（如印刷電路板）通信。
核心邏輯：通過硅中介層作為橋梁，將不同功能、不同制程（甚至不同廠商）的芯片集成在同一封裝內，突破傳統(tǒng)單芯片設計的物理限制，實現異構系統(tǒng)級芯片（SiP）集成。
2.中介層（Interposer）：技術核心樞紐
硅中介層是 CoWoS 封裝的核心創(chuàng)新載體：
硅通孔（TSV）：在中介層晶圓內制造微米級垂直互連通道，貫通芯片堆疊體的頂層與底層，實現從邏輯芯片→中介層→基板的高效電信號傳輸，縮短數據路徑，降低延遲與功耗。
高密度再分布層（RDL）：中介層表面采用先進光刻工藝構建多層銅布線網絡（線寬 / 間距可達亞微米級），為堆疊芯片提供超高密度的互連接口，支持超高速數據傳輸（如 HBM 與邏輯芯片間的帶寬需求）。
深溝槽電容器（DTC）：部分中介層嵌入嵌入式電容，優(yōu)化電源完整性（PI），抑制電源噪聲，保障高頻信號穩(wěn)定性。
二、技術優(yōu)勢：為何 CoWoS 成為 AI 與 HPC 芯片的剛需？
1.突破性能瓶頸
超高帶寬與低延遲：將 HBM 存儲器與邏輯芯片物理緊鄰堆疊在中介層上（距離僅數十微米），顯著縮短數據傳輸距離，帶寬可達傳統(tǒng)封裝的數倍以上（如 HBM3 帶寬超 TB/s 級別），大幅提升 AI 訓練與推理速度。
異構集成靈活性：支持不同制程（如 7nm 邏輯芯片 + 成熟制程的 I/O 芯片）、不同功能芯片（計算 / 存儲 / 通信）的協同封裝，兼顧性能與成本優(yōu)化，延續(xù) “超越摩爾” 發(fā)展路線。
熱管理優(yōu)化：硅中介層具備良好的熱傳導性，結合新型散熱材料（如金屬熱界面材料 TIM）及基板散熱設計，有效緩解高功率芯片（如 GPU）的局部熱點問題，提升系統(tǒng)可靠性。
2.尺寸與成本效益
小型化與高集成度：相比傳統(tǒng)多芯片模塊（MCM）分散布局在 PCB 上的方案，CoWoS 將芯片堆疊體壓縮至中介層尺度，封裝尺寸更小、厚度更薄，滿足數據中心及移動設備的空間限制需求。
成本可控性：通過 Chiplet 芯粒復用（同一封裝內使用不同成熟度的芯片）及避免單片超大芯片（GAAFET 等先進制程成本激增），平衡高端芯片性能需求與制造成本。
3.可靠性與信號完整性
硅中介層的低熱膨脹系數（CTE）匹配邏輯芯片與基板，減少熱應力影響；微凸塊或混合鍵合技術提供更穩(wěn)定的互連結構，保障高頻信號完整性，適用于高帶寬、低電壓的先進計算場景。
三、技術演進與類型分化
CoWoS 技術不斷迭代升級，衍生出多個子平臺以滿足多樣化需求：
1.CoWoS-S（Silicon Interposer）
傳統(tǒng)硅中介層方案，是 CoWoS 的基礎形態(tài)。中介層采用完整硅晶圓制造，通過四掩模拼接技術可擴展至3 倍光罩尺寸（約 2500–2700 mm2），容納多個邏輯芯片及 8–12 個 HBM 堆棧（如 NVIDIA H100/H200、AMD MI300 系列均采用此技術）。
技術迭代：從第一代（2011 年）發(fā)展到第五代（2021 年），晶體管密度、TSV 結構及散熱方案持續(xù)優(yōu)化；第六代規(guī)劃支持 12 顆 HBM 及雙運算核心集成。
2.CoWoS-R（RDL Interposer）
以有機材料（聚合物）為基底、銅布線再分布層（RDL）構成中介層，替代硅中介層。RDL 中介層具備柔韌性，可緩沖基板與芯片間的熱應力失配，提升封裝可靠性與良率，同時布線密度可達 4μm 間距（2μm 線寬），滿足高速信號需求。適用于對成本、良率更敏感且對中介層尺寸要求極高的場景（如超大芯片集成）。
3.CoWoS-L（Local Silicon Interconnect 重組插層）
創(chuàng)新架構：將傳統(tǒng)單片硅中介層替換為多個本地硅互連（LSI）芯粒與全局 RDL 層組成的重組插層（RI）。每個 LSI 芯粒保留硅中介層的高性能互連特性（亞微米銅布線、TSV），同時規(guī)避超大硅中介層帶來的良率與制造挑戰(zhàn)（如光刻拼接誤差）。
優(yōu)勢：實現類似硅中介層的高帶寬互連性能，但制造更靈活，良率更高，可擴展性更強，適用于下一代3 倍光罩尺寸以上（>2500 mm2）的超大集成需求（如更多 HBM 堆棧或多核邏輯芯片）。
4.未來演進方向
更大集成規(guī)模：臺積電規(guī)劃在 2027 年推出9 倍光罩尺寸的超級載體（Super Carrier）CoWoS 技術，支持容納 12 個以上 HBM4 堆棧及超大型邏輯芯片群，滿足 AI 大模型對算力與存儲的極致需求。
混合鍵合應用深化：逐步用混合鍵合技術（銅–氧化物原子級鍵合）替代微凸塊互連，進一步縮小芯片間距（<10μm），提升帶寬潛力并降低功耗，推動 CoWoS 向 3D 堆疊（Chiplet 垂直集成）延伸。
光電共封裝（CPO）融合：探索將光子芯片（如激光器、調制器）集成到 CoWoS 中介層或基板，解決數據中心光電轉換瓶頸，構建光電異構系統(tǒng)級封裝。
四、封裝過程中的氣泡挑戰(zhàn)與創(chuàng)新解決方案
在CoWoS等先進封裝技術中，氣泡缺陷已成為影響芯片性能與可靠性的核心瓶頸。隨著芯片尺寸持續(xù)縮小、功率密度不斷提升，微米甚至納米級的氣泡可能導致芯片性能下降和使用壽命縮短。在這一關鍵環(huán)節(jié)，屹立芯創(chuàng)通過技術創(chuàng)新為氣泡防治提供了國產解決方案。
屹立芯創(chuàng)研發(fā)的多領域除泡系統(tǒng)采用獨創(chuàng)的"震蕩式真空壓力與快速升降溫"專利技術，首次實現"真空度-壓力值-溫度曲線"三參數動態(tài)聯動調控，解決高精度模組封裝除泡過程中無法兼顧協同性的問題。其晶圓級真空貼壓膜系統(tǒng)采用真空下貼壓膜和軟墊氣囊式壓合專利技術，有效解決預貼膜在真空壓膜過程中產生氣泡或干膜填覆率不佳的問題，實現業(yè)內最高1：20的高深寬比填覆效果。
這些技術已在國內多家封測頭部企業(yè)產線中實現規(guī)模化穩(wěn)定運行，廣泛應用于半導體封裝測試、AI芯片、汽車電子等關鍵領域，為CoWoS等先進封裝技術提供了可靠的氣泡防治支持。
總結
CoWoS技術以硅中介層為核心樞紐，通過創(chuàng)新的分層集成邏輯，突破了傳統(tǒng)封裝的性能與物理邊界，為AI、HPC等高端芯片提供了異構集成的最優(yōu)解，成為“超越摩爾”時代的核心支撐。從技術迭代來看，三大子平臺的分化與迭代、混合鍵合及光電共封裝的探索，持續(xù)拓寬其應用邊界；而屹立芯創(chuàng)的除泡技術突破，為國產CoWoS落地提供了關鍵保障。與此同時，成本良率、散熱極限、標準化生態(tài)及可持續(xù)性等挑戰(zhàn)，仍需行業(yè)協同攻堅。未來，隨著超級載體等技術的推進，CoWoS將進一步平衡性能與成本、創(chuàng)新與可靠，不僅賦能AI大模型等領域爆發(fā)式增長，更將推動半導體封裝產業(yè)邁向高質量發(fā)展新階段。
