从存力到封力:CoWoS研究框架(2023)

智能计算芯世界 2023-07-26 07:25

随着摩尔定律放缓,芯片特征尺寸接近物理极限,先进封装成为提升芯片性能,延续摩尔定律的重要手段。先进封装是指处于前沿的封装形式和技术,通过优化连接、在同一个封装内集成不同材料、线宽的半导体集成电路和器件等方式,提升集成电路的连接密度和集成度。

内容介绍:

《从存力到封力:CoWoS研究框架》

CoWoS是什么?

1 后摩尔时代,先进封装成为提升芯片性能重要解法 1.1 摩尔定律放缓,先进封装日益成为提升芯片性能重要手段 1.2 先进封装份额占比提升,2.5D/3D 封装增速领先先进封装 1.3 先进封装处于晶圆制造与封测的交叉区域 2 CoWoS:台积电的 2.5D 先进封装技术 2.1 CoWoS-S:最经典的 CoWoS 技术,以硅基板作为中介层 2.2 CoWoS-R:使用 RDL 替代硅作为中介层 2.3 CoWoS-L:使用小芯片和 RDL 作为中介层,融合 CoWoS-S 和 InFO 技术优点 3 超越摩尔(MtM)提速,制造设备为关键 3.1 光刻设备是超越摩尔的支柱,键合设备推动先进封装 3.2 MtM 设备(W2W 永久键合、光刻、临时键合和解键合设备)相关工艺与流程 3.3 MtM 设备市场规模 3.4 MtM 设备厂商
本文来自“从存力到封力:CoWoS研究框架”,TrendForce 报告指出,聊天机器人等生成式 AI 应用爆发式增长,带动 2023 年 AI 服务器开发大幅扩张。这种对高端 AI 服务器的依赖,需要使用高端 AI 芯片,这不仅将拉动 2023~2024 年 HBM 的需求,而且预计还将在 2024 年带动先进封装产能增长 30~40%。
先进封装增速高于整体封装,2.5D/3D 封装增速居先进封装之首。根据 Yole,2021 年,先进封装市场规模约 375 亿美元,占整体封装市场规模的 44%,预计到2027 年将提升至占比 53%,约 650 亿美元,CAGR21-27为 9.6%,高于整体封装市场规模 CAGR21-27 6.3%。先进封装中的 2.5D/3D 封装多应用于(x)PU, ASIC, FPGA, 3D NAND, HBM, CIS 等,受数据中心、高性能计算、自动驾驶等应用的驱动,2.5D/3D封装市场收入规模 CAGR21-27高达 14%,在先进封装多个细分领域中位列第一。
CoWoS(Chip On Wafer On Substrate)是台积电的一种 2.5D 先进封装技术,由 CoW 和 oS 组合而来:先将芯片通过 Chip on Wafer(CoW)的封装制程连接至硅晶圆,再把 CoW 芯片与基板(Substrate)连接,整合成 CoWoS。核心是将不同的芯片堆叠在同一片硅中介层实现多颗芯片互联。在硅中介层中,台积电使用微凸块(μBmps)、硅通孔(TSV)等技术,代替了传统引线键合用于裸片间连接,大大提高了互联密度以及数据传输带宽。CoWoS 技术能够提高系统性能、降低功耗、缩小封装尺寸,也为台积电在后续的封装技术保持领先奠定了基础。
根据采用的不同的中介层(interposer),台积电把 CoWoS 封装技术分为三种类型——CoWoS-S(Silicon Interposer)、CoWoS-R(RDL Interposer)以及CoWoS-L(Local Silicon Interconnect and RDL Interposer)。
1、CoWoS-S:最经典的 CoWoS 技术,以硅基板作为中介层
CoWoS-S(Silicon Interposer)即 2011 年首次亮相的用硅(Si)衬底作为中 介 层 的 先 进 封 装 技 术 ,提供广泛的中介层尺寸、HBM 立方体数量和封装尺寸,可以实现大于 2X 的光罩尺寸(1,700mm2),中介层集成了领先的 SoC 芯片和四个以上的HBM2/HBM2E 立方体。在过去,“CoWoS”一般即指以硅基板作为中介层的先进封装技术。
CoWoS-S 从 2011 年的第一代升级到 2021 年的第五代,第六代技术有望于2023 年推出,将会在基板上封装 2 颗运算核心,同时可以板载多达 12 颗 HBM 缓存芯片。第五代 CoWoS-S 技术使用了全新的 TSV 解决方案,更厚的铜连接线,晶体管数量是第 3 代的 20 倍。它的硅中介层扩大到 2500mm2,相当于 3 倍光罩面积,拥有 8 个 HBM2E 堆栈的空间,容量高达 128 GB。并且,台积电以 Metal Tim形式提供最新高性能处理器散热解决方案,与第一代 Gel TIM 相比,封装热阻降低至 0.15 倍。
2、CoWoS-R:使用 RDL 替代硅作为中介层
CoWoS-R(RDL Interposer)是使用有机基板/重新布线层(RDL)替代了硅(Si)作为中介层的先进封装技术。CoWoS-R 采用 InFO 技术使用 RDL 作为中介层并为 chiplets 之间的互连提供服务,特别是在 HBM(高带宽存储器)和 SoC 异构集成中。RDL 中介层由聚合物和铜走线组成,机械灵活性相对较高,这种灵活性增强了 C4 接头的完整性,并允许新封装可以扩大其尺寸以满足更复杂的功能需求。
CoWoS-R 技术的主要特点包括:
1)RDL interposer 由多达 6L 铜层组成,用于最小间距为 4um 间距(2um 线宽/间距)的布线。
2)RDL 互连提供良好的信号和电源完整性性能,路由线路的 RC 值较低,可实现高传输数据速率。共面 GSGSG 和具有六个 RDL 互连的层间接地屏蔽可提供卓越的电气性能。
3)RDL 层和 C4/UF 层由于 SoC 与相应衬底之间的 CTE 不匹配而提供了良好的缓冲效果。C4 凸块的应变能密度大大降低
3、CoWoS-L:使用小芯片和 RDL 作为中介层,融合 CoWoS-S 和 InFO技术优点
CoWoS-L(Local Silicon Interconnect and RDL Interposer)是使用小芯片(chiplet)和 RDL 作为中介层(硅桥)的先进封装技术,结合了 CoWoS-S 和InFO 技术的优点,具有灵活的集成性。CoWoS-L 使用内插器与 LSI(本地硅互连)芯片进行芯片间互连,以及用于电源和信号传输的 RDL 层,从 1.5 倍 reticleinterposer 尺寸和 1 倍 SoC+4 倍 HBM 立方体开始,并将向前扩展,将包络扩大到更大的尺寸,以集成更多芯片。
CoWoS-L 服务的主要功能包括:
1)LSI 芯片,用于通过多层亚微米铜线实现高布线密度晶粒互连。LSI 芯片可以在每个产品中具有多种连接架构(例如 SoC 到 SoC、SoC 到 chiplet、SoC 到HBM 等),也可以重复用于多个产品。相应的金属类型、层数和间距与 CoWoS-S 的产品一致。
2)基于成型的中介层,正面和背面具有宽间距的 RDL 层,TIV(通过中介层通孔)用于信号和功率传输,可在高速传输中提供低高频信号损失。

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1、Chiplet延续摩尔定律:先进制程替代之路
2、Chiplet延续摩尔定律,芯片测试与封装有望获益
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5、后摩尔时代:Chiplet与先进封装

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