全面详解CoWoS封装技术特点及优势

CoWoS封装技术

CoWoS背景

“封测厂已经跟不上晶圆代工的脚步了，摩尔定律都开始告急了，我们与其在里面干着急，不如做到外面去”，2011年，台积电的余振华面对媒体如是说。2011年，台积电宣布将会做先进封装。经过两年时间，台积电开发出了CoWoS技术。但由于价格昂贵，只有Xilinx使用，为了拿下苹果这个客户，台积电开发出了一种精简的设计，能够将CoWoS结构尽量简化，并且价格压到原来的五分之一。这个技术就是后来的InFO技术。

自此，台积电的先进封装分成了两部分，更为经济的InFO封装技术，成为收集客户采用的首选，这也是台积电拿下苹果这个客户的原因。而专注于高阶客户市场的CoWoS技术也因为人工智能的发展，得到进一步发展与应用。
2012年台积电在与赛灵思合作推出Virtex-7 HT系列FPGA的过程中（由4颗28nm FPGA芯片并排安装在硅中介层）便开发了TSV、μBump及RDL技术，并将这一系列技术命名为CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）[3]。随后公司研发出InFO封装，大幅降低了封装体积[4]。2018年，台积电又公布了系统整合单芯片（SoIC）技术，标志着台积电已具备直接为客户生产3DIC的能力。

CoWoS技术

CoWoS 技术概念，简单来说是先将半导体芯片（像是处理器、记忆体等），一同放在硅中介层上，再透过Chip on Wafer（CoW）的封装制程连接至底层基板上。换言之，也就是先将芯片通过Chip on Wafer（CoW）的封装制程连接至硅晶圆，再把CoW 芯片与基板连接，整合成CoWoS；利用这种封装模式，使得多颗芯片可以封装到一起，透过Si Interposer 互联，达到了封装体积小，功耗低，引脚少的效果。

2.5D封装：所谓的2.5D 封装，主要的概念是将处理器、记忆体或是其他的芯片，并列排在硅中介板（Silicon Interposer）上，先经由微凸块（Micro Bump）连结，让硅中介板之内金属线可连接不同芯片的电子讯号；接着再透过硅穿孔（TSV）来连结下方的金属凸块（Solder Bump），再经由导线载板连结外部金属球，实现芯片、芯片与封装基板之间更紧密的互连。

· RDL(Redistributionlayer，再分布层)：在晶圆水平上，触点再分布可以很高效的进行。再分布层用于使连线路径重新规划，落到我们希望的区域，也可以获得更高的触点密度。再分布的过程，实际上是在原本的晶圆上又加了一层或几层。首先淀积的是一层电介质用于隔离，接着我们会使原本的触点裸露，再淀积新的金属层来实现重新布局布线。UBM在这里会被用到，作用是支撑焊锡球或者其他材料的接触球。

· 中介层(Interposer)：指的是焊锡球和晶粒之间导电层。它的作用是扩大连接面，使一个连接改线到我们想要的地方。与再分布层作用类似。

· TIM:热界面材料（hermal interface material：TIM）薄膜通常包含在高级封装中，以帮助降低从有源die到周围环境的总热阻。（对于非常高功率的器件，通常应用两层 TIM 材料层——die和封装盖之间的内层以及封装和散热器之间的一层。）

CoWoS（Chip On Wafer On Substrate）是一种2.5D的整合生产技术，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。

CoWoS process Flow如下：

先将芯片通过Si interposer与下面的wafer堆叠在一起，其中连接部分叫ubump，是一对Cu piller中间焊Solder，填入underfill保护芯片与连接的结构

将芯片连接在载板上，然后进行CMP将Si interposer减薄，接着加入RDL与Solder ball。

将wafer从载板上转移到胶带上，切割wafer，将芯片从胶带上取下来倒置安装在基板上。

最后加上保护结构并使用热界面金属（TIM）填充保护盖与芯片中间的空隙。

CoWoS封装结构简图

CoWoS封装技术发展
（1）CoWoS—S
CoWoS平台为高性能计算应用提供了同类最佳的性能和最高的集成密度。这种晶圆级系统集成平台提供了广泛的内插器尺寸、HBM立方体数量和封装尺寸。它可以实现比2倍掩模版尺寸(或约1，700mm2)更大的内插器，将领先的SoC芯片与四个以上的HBM2/HBM2E立方体集成在一起。

CoWoS—R

CoWoS-R是CoWoS高级封装家族的一员，利用InFO技术利用RDL内插器并服务于小芯片之间的互连，尤其是在HBM(高带宽存储器)和SoC异构集成方面。RDL内插器由聚合物和铜迹线组成，在机械上相对灵活。这种灵活性增强了C4关节的完整性，并允许新的封装可以扩大其规模，以满足更复杂的功能需求。

CoWoS-R技术的主要特点包括:

1.RDL内插器最多由6L铜层组成，用于最小布线。间距为4微米(2微米线宽/间距)。

2.RDL互连提供了良好的信号和电源完整性性能，路由线路的RC值更低，以实现高传输数据速率。带有六个RDL互连的共面GSGSG和层间接地屏蔽提供了出色的电气性能。

3.由于SoC和相应衬底之间的CTE失配，RDL层和C4/UF层提供了良好的缓冲效果。C4凸起使应变能密度大大降低。

CoWoS—L

CoWoS-L作为CoWoS平台中的最后一个芯片级封装之一，结合了CoWoS-S和InFO技术的优点，使用内插器与LSI (Local Silicon Interconnect)芯片提供了最灵活的集成，用于管芯到管芯的互连，RDL层用于功率和信号传递。该产品从1.5倍掩模版插入器尺寸开始，具有1倍SoC+4倍HBM立方体，并将进一步扩展外壳至更大尺寸，以集成更多芯片。

CoWoS-L服务的主要特点包括:

1.大规模集成电路芯片，用于通过多层亚微米铜线实现高布线密度的管芯间互连。大规模集成电路芯片可以在每个产品中采用多种连接架构(例如，SoC到SoC、SoC到小芯片、SoC到HBM等)，也可以在多个产品中重复使用。相应的金属类型、层数和间距与CoWoS-S的产品一致

2.基于模制的内插器在正面和背面都具有宽间距的RDL层，并且用于信号和功率传输的TIV(直通内插器通路)在高速传输中提供了低损耗的高频信号。

3.能够在片上系统芯片的正下方集成额外的元件，例如独立的IPD(集成无源器件)，以更好的PI/SI支持其信号通信。

芯片的布局设计，遂成为延续摩尔定律的新解方，异构整合（Heterogeneous Integration Design Architecture System，HIDAS）概念便应运而生，同时成为IC 芯片的创新动能。

所谓的异构整合，广义而言，就是将两种不同的芯片，例如记忆体＋逻辑芯片、光电＋电子元件等，透过封装、3D 堆叠等技术整合在一起。换句话说，将两种不同制程、不同性质的芯片整合在一起，都可称为是异构整合。

图 CoWoS 封装技术的路线图

相比第三代技术，第五代CoWoS-S的晶体管数量将增加20倍，中介层面积也会提升3倍。第五代封装技术还将封装8个128G的HBM2e内存和2颗大型SoC内核。

2010 年开始 2.5D Interposer 的研发，2011 年推出 2.5D Interposer 技术 CoWoS（Chip on Wafer on Substrate）。第一代 CoWoS 采用 65 纳米工艺，线宽可以达到 0.25µm，实现 4 层布线，为 FPGA、GPU 等高性能产品的集成提供解决方案。

真正引爆 CoWoS 的产品是人工智能（AI）芯片。2016 年，英伟达（Nvidia）推出首款采用 CoWoS 封装的绘图芯片 GP100，为全球 AI 热潮拉开序幕；2017 年 Google 在 AlphaGo 中使用的 TPU 2.0 也采用 CoWoS 封装；2017 年英特尔（Intel）的 Nervana 也不例外的交由台积电代工，采用 CoWoS 封装。因成本高昂而坐冷板凳多年 CoWoS 封测产能在 2017 年首度扩充。

4、3D Fabric