先進(jìn)封裝，新變動(dòng)？

人工智能（AI）浪潮轉(zhuǎn)動(dòng)全球半導(dǎo)體行業(yè)新一輪周期的齒輪，AI加速芯片的關(guān)鍵技術(shù)先進(jìn)封裝被推至新的風(fēng)口。臺(tái)積電、日月光、Amkor、英特爾、三星等大廠紛紛踴躍下注、調(diào)整產(chǎn)能布局，大小企業(yè)收購(gòu)，各國(guó)補(bǔ)貼獎(jiǎng)勵(lì)到位...先進(jìn)封裝市場(chǎng)門庭若市，而CoWoS產(chǎn)能仍“吃緊”的消息一釋出，再度吸引業(yè)界目光。

一、CoWoS產(chǎn)能“大缺”，F(xiàn)overos有望替補(bǔ)？

CoWoS封裝技術(shù)早已被視為尖端人工智能（AI）芯片生產(chǎn)的關(guān)鍵，隨著AI需求爆發(fā)，臺(tái)積電CoWoS產(chǎn)能緊缺。值得注意的是，近期，業(yè)界傳出，由于臺(tái)積電先進(jìn)封裝CoWoS產(chǎn)能始終供不應(yīng)求，英偉達(dá)日前找上英特爾進(jìn)行先進(jìn)封裝。供應(yīng)鏈廠商指出，臺(tái)積電CoWoS-S與英特爾Foveros封裝技術(shù)相似，（后者）能快速提供封裝產(chǎn)能。

從芯片供應(yīng)商使用情況來看，英偉達(dá)的A100、A800、A30、H100、H800、GH200等AI芯片均依賴于臺(tái)積電的CoWoS-S封裝技術(shù)以及基于65nm硅中介層的工藝；同行AMD的MI300也導(dǎo)入了CoWoS技術(shù)；聯(lián)發(fā)科與臺(tái)積電合作，意在將CoWoS用于其ASIC芯片；博通公司ASIC也將采用CoWoS-L...越來越多的公司青睞于CoWoS，業(yè)界人士認(rèn)為，臺(tái)積電的CoWoS產(chǎn)能，是導(dǎo)致當(dāng)前AI芯片出貨量卡關(guān)的主要原因。

據(jù)TrendForce集邦咨詢調(diào)查，以英偉達(dá)的B100而言，其芯片尺寸將較H100翻倍，會(huì)消耗更多的CoWoS用量，預(yù)估2025年主要供應(yīng)商臺(tái)積電的CoWoS生產(chǎn)量規(guī)模至年底總產(chǎn)能可達(dá)550k-600k，成長(zhǎng)率逼近8成。

英偉達(dá)計(jì)劃在2024年下半年推出B100及B200，供應(yīng)CSPs（云端服務(wù)業(yè)者）客戶，并另外規(guī)劃降規(guī)版B200A給其他企業(yè)型客戶，瞄準(zhǔn)邊緣AI（人工智能）應(yīng)用。TrendForce集邦咨詢最新調(diào)查表示，受CoWoS-L封裝產(chǎn)能吃緊影響，NVIDIA會(huì)將B100及B200產(chǎn)能提供給需求較大的CSPs客戶，并規(guī)劃于2024年第三季后陸續(xù)供貨。在CoWoS-L良率和量產(chǎn)尚待整備的情況下，NVIDIA同步規(guī)劃降規(guī)版B200A給其他企業(yè)客戶，并轉(zhuǎn)為采用CoWoS-S封裝技術(shù)。

針對(duì)產(chǎn)能擴(kuò)充，臺(tái)積電總裁魏哲家曾在第二季法說會(huì)表示，接下來CoWoS的需求幾乎是雙倍成長(zhǎng)，公司正積極擴(kuò)充產(chǎn)能當(dāng)中，并希望到2025-2026年供需平衡。目前，臺(tái)積電的CoWoS產(chǎn)能全都在臺(tái)灣地區(qū)。另?yè)?jù)路透社先前引用知情人士來源指出，臺(tái)積電考慮在日本建立先進(jìn)封裝能力，其中一個(gè)選擇是將CoWoS封裝技術(shù)帶到日本。

去年12月，臺(tái)積電CoWoS月產(chǎn)能增加到1.4萬片至1.5萬片；預(yù)估到2024年第4季，臺(tái)積電CoWoS月產(chǎn)能將大幅擴(kuò)充到3.3萬片至3.5萬片；2025年底，再提高至每月44000片。

臺(tái)積電CoWoS先進(jìn)封裝廠在臺(tái)灣地區(qū)的據(jù)點(diǎn)主要分布在桃園龍?zhí)叮〝U(kuò)充CoWoS）、新竹竹科、苗栗竹南、苗栗銅鑼、臺(tái)中中科、嘉義嘉科臺(tái)南南科（接收龍?zhí)禝nFO產(chǎn)能調(diào)配）。其中，臺(tái)積電在嘉義科學(xué)園區(qū)建設(shè)2座CoWoS先進(jìn)封裝廠，第一座P1廠已于5月動(dòng)工，但挖到疑似遺址，目前已先暫停P1廠施工，并同步啟動(dòng)第二座CoWoS廠（P2廠）工程。

英特爾方面，今年1月，英特爾宣布3D Foveros先進(jìn)封裝技術(shù)已在美國(guó)新墨西哥州Fab 9開始大規(guī)模生產(chǎn)。

從英特爾先進(jìn)封裝布局情況來看，該公司除了在美國(guó)奧勒岡州有相關(guān)研發(fā)與產(chǎn)能之外，包括新墨西哥州及未來的馬來西亞檳城新廠，3個(gè)據(jù)點(diǎn)的3D先進(jìn)封裝產(chǎn)能相加，將于2025年時(shí)增加四倍，不過未透露廠區(qū)的產(chǎn)能。

而英特爾在馬來西亞，未來將有六座工廠?，F(xiàn)有的4座分別為檳城和居林（Kulim）的兩座封測(cè)廠，以及在居林負(fù)責(zé)生產(chǎn)測(cè)試設(shè)備的系統(tǒng)整合和制造服務(wù)廠（SIMS）和自制設(shè)備廠（KMDSDP）；尚在興建中的，是分別位于檳城和居林的封測(cè)廠和組裝測(cè)試廠。其中，位于檳城的封測(cè)廠未來將生產(chǎn)最先進(jìn)的3D IC封裝Foveros，預(yù)計(jì)會(huì)在2024或2025年啟用。

二、兩位主角：CoWoS VS Foveros

1、CoWoS特別之處何在？

CoWoS，英文全稱為Chip-on-Wafer-on-Substrate，是一種2.5D、3D的封裝技術(shù)，指將不同功能的模組做成小芯片(chiplet)，全部封在一塊芯片內(nèi)。因此在一塊芯片內(nèi)，包含邏輯芯片、存儲(chǔ)器、射頻芯片和微機(jī)電芯片，不過該技術(shù)只服務(wù)7nm以下制程。

CoWoS可以分為「CoW」和「WoS」來理解，「CoW」指“Chip-on-Wafer”，意味芯片堆疊；「WoS」指“Wafer-on-Substrate”，是將芯片堆疊在基板上。通俗來說，CoWoS是指，把芯片堆疊起來，封裝于基板上，以此來減少芯片需要的空間，提高芯片性能，同時(shí)減少功耗和成本，適用于高性能計(jì)算HPC、AI人工智能、數(shù)據(jù)中心、5G、物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子等領(lǐng)域。

CoWoS處于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的下游IC封裝與測(cè)試的階段中。目前市場(chǎng)使用的CoWoS技術(shù)分為三類，CoWoS-S、CoWoS-R、CoWoS-L。

圖片來源：臺(tái)積電

CoWoS-S使用單芯片硅內(nèi)插件和硅通孔（TSV），以促進(jìn)芯片和基板之間高速電信號(hào)的直接傳輸。這里需要注意的是，單片硅內(nèi)插層蘊(yùn)藏著良率問題。目前，Amkor、英特爾等主力技術(shù)尚為CoWoS-S，主攻英偉達(dá)H系列芯片。

CoWoS-R系列，采用InFO技術(shù)，在RDL中介層作用于芯片之間的互連，尤其是在HBM（高帶寬內(nèi)存）和SoC異構(gòu)集成中。RDL中介層由聚合物和銅線組成，具有相對(duì)的機(jī)械靈活性。這種靈活性增強(qiáng)了C4接頭的完整性，并使新封裝可以擴(kuò)大其尺寸，滿足更復(fù)雜的功能需求。

圖片來源：臺(tái)積電

CoWoS-L則結(jié)合了CoWoS-S和InFO技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，使用中介層與LSI（本地硅互連）芯片，進(jìn)行芯片間互連，并使用RDL層進(jìn)行電源和信號(hào)傳輸，從而提供最靈活的集成。該產(chǎn)品從1.5X光罩中介層尺寸開始，包含1xSoC+4xHBM立方體，進(jìn)一步將封裝擴(kuò)展到更大的尺寸以集成更多芯片。

CoWoS-L技術(shù)緩解了CoWoS-S中因使用大型硅內(nèi)插件，而產(chǎn)生的良品率問題。業(yè)界稱，在某些實(shí)施方案中，該技術(shù)還可以使用絕緣體通孔（TIV） 來取代TSV，以最大限度地降低插入損耗。

圖片來源：臺(tái)積電

由于芯片微縮的同時(shí)，芯片成本也在不斷增加，通過CoWoS技術(shù)的加持，將不同制程的芯片封裝在一起，可以達(dá)到加速運(yùn)算、成本可控化的效果。也因此業(yè)界認(rèn)為，CoWoS技術(shù)的出現(xiàn)延伸了摩爾定律的壽命。不過該技術(shù)仍然面臨芯片堆疊之后所產(chǎn)生的等熱、良率提升等問題。

此外，這里提到的InFO技術(shù)是指，在堆疊過程中，利用半導(dǎo)體制程技術(shù)，少使用了中間的導(dǎo)線載板，大大降低了封裝成本，尺寸上也可以做到更輕薄，有利于散熱和降低芯片功耗。

2、Foveros：業(yè)界首創(chuàng)3D IC

Foveros是一個(gè)希臘語單詞，意為“獨(dú)特的，特殊的”。該技術(shù)是英特爾發(fā)明的一種高性能三維集成電路（3D IC）面對(duì)面堆疊封裝技術(shù)，于2019年面世。

Foveros技術(shù)旨在將兩個(gè)或多個(gè)芯片組裝在一起，進(jìn)行橫向和縱向之間的互連，進(jìn)一步降低凸點(diǎn)間距。但實(shí)際上，F(xiàn)overos的邏輯芯片3D堆疊并不是一種芯片，而是邏輯晶圓3D堆疊技術(shù)，也就是把chiplet/die面對(duì)面疊起來。該技術(shù)通過巧妙的設(shè)計(jì)，可以通過將存儲(chǔ)堆疊在活動(dòng)組件之上來顯著改善某些組件的延遲和帶寬。產(chǎn)品可以分成更小的小芯片 (chiplet) 或塊 (tile)，其中 I/O、SRAM和電源傳輸電路在基礎(chǔ)芯片中制造，高性能邏輯小芯片或塊堆疊在頂部。

圖片來源：英特爾

Foveros在芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)極低功耗和高密度的芯片間連接，最小化了分區(qū)的開銷，能夠?yàn)槊總€(gè)區(qū)塊選擇理性的芯片工藝，并保障了成本和性能提升，簡(jiǎn)化了SKU（庫(kù)存量單元）的創(chuàng)建，更容易定制且更快速地上市。不同的技術(shù)版本包含F(xiàn)overos Omni、Foveros Direct。

英特爾第一代Foveros是采用10nm工藝推出，功耗極低，為每比特0.15皮焦耳，帶寬是同類2.5D Si中介層的2-3倍，功率可從3W擴(kuò)展到1千瓦，當(dāng)時(shí)凸點(diǎn)間距為50微米。

Foveros Omni允許芯片分離，靈活性強(qiáng)，可以在混合芯片節(jié)點(diǎn)上將多個(gè)頂芯片塊和多個(gè)基塊混合在一起，為芯片到芯片互連和模塊化設(shè)計(jì)提供了性能3D堆棧技術(shù)。

Foveros Direct則是Foveros Omni的補(bǔ)充，是支持直接連接一個(gè)或多個(gè)小芯片至作用中底層芯片，以創(chuàng)造復(fù)雜系統(tǒng)模組。據(jù)英特爾指出，“直接”連接是透過將個(gè)別小芯片的銅線以熱壓縮方式與晶圓連接，或是直接讓整個(gè)晶圓彼此堆疊連接。此連接技術(shù)可以是“面對(duì)面”或是“面對(duì)背”，并納入來自不同晶圓代工的芯片或晶圓，提高產(chǎn)品架構(gòu)彈性。而連接頻寬由銅線間距(以及產(chǎn)生的密度) 決定。第一代Foveros Direct 3D會(huì)使用9um的間距連接銅線；第二代則會(huì)縮小到間距只有3um。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了10微米以下的碰撞間距，提高了3D堆棧的互連密度，為功能芯片分區(qū)開創(chuàng)了過去無法實(shí)現(xiàn)的新概念。

Foveros Direct 3D在堆疊芯片之間支援高頻寬且低延遲的互連（圖片來源：英特爾）

英特爾曾強(qiáng)調(diào)，隨著整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進(jìn)入在單個(gè)封裝中集成多個(gè)小芯片（Chiplets）的異構(gòu)時(shí)代，英特爾的3D Foveros 和2.5D EMIB等先進(jìn)封裝技術(shù)將可以達(dá)成在單個(gè)封裝中整合一兆個(gè)電晶體，以便在2030年之后繼續(xù)持續(xù)推動(dòng)摩爾定律的前進(jìn)。

此外，值得一提的是，英特爾的EMIB 3.5D是在一個(gè)封裝中嵌入多晶粒互連橋接和Foveros 技術(shù)，適合需要在一個(gè)封裝中組合多個(gè)3D堆棧的應(yīng)用。其Data Center GPU Max Series SoC，使用 EMIB 3.5D，打造出英特爾有史以來大批量生產(chǎn)的最復(fù)雜的異構(gòu)芯片，該芯片擁有超過1000億個(gè)晶體管、47個(gè)活動(dòng)磁貼和5個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)。

結(jié) 語

先進(jìn)封裝市場(chǎng)已然成為兵家必爭(zhēng)之地。目前，日月光、安靠（Amkor）、長(zhǎng)電科技、臺(tái)積電、三星、英特爾6家大廠占據(jù)了整個(gè)先進(jìn)封裝市場(chǎng)近80％市場(chǎng)份額。而各家手中籌碼各色各樣，其中臺(tái)積電手上掌握的先進(jìn)封裝技術(shù)除了上述的CoWoS-S、CoWoS-R、CoWoS-L，還包括InFO-OS、InFO-LSI、InFO-SOW、 InFO-SoIS、、SoIC、FOPLP等；英特爾包括EMIB、Foveros、Foveros Omni、Foveros Direct等；其他大廠，如三星擁有FOSiP、X-Cube、I-Cube、HBM、DDR/LPDDR DRAM、CIS等，長(zhǎng)電科技已經(jīng)覆蓋SiP、WL-CSP、2.5D、3D等。

整體來講，后摩爾時(shí)代下，人工智能（AI）和高性能計(jì)算需求快速增長(zhǎng)，先進(jìn)封裝市場(chǎng)的景氣度顯著高于整體封裝行業(yè)，市場(chǎng)盛況空前，引得各路豪杰匯聚一堂，競(jìng)爭(zhēng)日漸熱烈，先進(jìn)封裝市場(chǎng)的繁榮也將推動(dòng)全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)向上發(fā)展。