晶圆级封装：连接密度提升的关键一步

英伟达创始人兼CEO黄仁勋在2024年6月2日宣布，英伟达新一代AI芯片Blackwell系列已经开始投入生产。为了支撑英伟达不断增长的芯片需求，作为其核心代工伙伴的台积电正在大幅提升先进封装CoWoS的产能。据目前市场研究报告：台积电作为苹果、联发科、 高通、博通、英伟达等科技巨头的合作商，目前市场份额超过 50%，已然成为全球晶圆代工龙头；能够让头部的科技公司都争相扩产，台积电的先进封装到底有什么优势？为什么说他卡住了 AI 的脖子？此文将从cowos封装流程、核心工艺和技术优势、三个层面帮你彻底搞懂封装技术的发展脉络，搞清楚先进封装是个什么逻辑！

传统封装技术流程与弊端分析拆解

在了解封装之前，我们可以简单追溯一下芯片的“诞生”路径，首先要从沙子中提取出99%纯度的硅，熔练拉出硅晶柱，然后切割抛光形成硅晶圆，再以硅晶圆为基底进行光刻电路、掺杂离子等，经过这几道繁杂且严谨的工序后，此刻的晶圆裸片极度脆弱易碎，并且线路没办法直接和外部电路连通，所以需要对它进行封装，再把电路接通，形成芯片的最终形态。从第一原理性出发，封装要解决的其实主要就是两个问题，第一个是怎么封，既能保护芯片，又能顺应设备小型化的趋势，同时又要兼顾散热、降低成本；第二个是怎么连接来提高芯片和外部电路之间的信息传输密度，提高信息传输的效率。围绕这两个核心目的，工程师们想出了五花八门的办法，并且技术不断升级，这也就形成了现在各种各样的封装技术。

但是万变不离其宗，我们先来看一下最基础、最传统的封装流程。举一反三，后面复杂的技术路线你就能轻松理解了。传统的芯片封装可以简化为五步，第一步，背部研磨，把晶圆研磨到合适的厚度。第二步，切割得到裸片。第三步，装片，借助银浆或其他胶水将裸片粘接固定在PCB 或引线框架上。第四步，键合，也是接通裸片和芯片之间线路最关键的一步，通过引线键合实现芯片输入输出端口与引线框架引脚实现电气互联，芯片和基板通上电，基板在和外部电路通上电，那么芯片就可以在电路上发挥作用了。第五步，塑封成型，通过模具用环氧树脂之类的材料为芯片塑封上一个外壳。最后我们简单梳理一下传统封装流程，就是从晶圆里面取出芯片裸片，把它粘在基板上，把电路连接上，把壳封上，就这么简单。

封装技术的发展路径

传统的引线键和封装有两大弊端，首先是引线的框架比较大，对于器件或产品尺寸微型化造成了阻碍，不能满足我们设备小型化的需求；第二个是金属引线比较长，导致芯片到基板传输电信号的耗时就会比较长；那么应该如何把芯片的体积封装的更加合适？如何让芯片的电信号传输的更快更好呢？围绕这两个核心问题，我们把封装的技术路径大致分为四个阶段，第一个是裸线贴装阶段，代表的连接方式是引线键和。第二个是倒片封装阶段，代表的连接方式是焊球或者凸点。第三个是晶圆级封装，代表的连接方式是RDL，重布线层技术。第四个是 2.5D、3D 封装阶段，代表的连接方式是 TSV 硅通孔技术、 Chiplet 封装技术。了解完这四个元素，你就会发现，其实每一代技术之间的本质区别就是芯片和电路的连接方式的区别；

在倒片封装阶段我们解决了芯片尺寸大、散热低等问题；晶圆级封装阶段则更进一步提高连接密度；然而在 AI 时代，高算力对芯片的传输速率和信息密度仍旧有非常高的要求；那如何提高芯片之间的连接密度和信号传输的速度呢？比如能不能把两块芯片封装到一起，大幅缩短它们的连接路径？这些问题在封装技术的第四大阶段 2.5D 封装和 3D 封装中得到了解决。

COWOS、Chiplet 封装技术优势

2.5D 和 3D 封装技术把整个芯片系统的信息传输速率和传输密度提高了一个全新的台阶。 2011 年，台积电推出了全球首个 2.5D 先进封装技术，也就是大名鼎鼎的 COWOS 封装。它通过硅通孔技术，把逻辑、计算、存储多个芯片集成在一起。目前最顶级的算力芯片英伟达 H100 就是采用了这个工艺。 TSV 硅通孔技术还有一种巧妙的运用就是 Chiplet 封装，它解决的不是如何进一步提高连接密度的问题，而是如何在保证连接密度的情况下减少芯片制造的难度。目前电路集成化有两种路径，一种就是传统的几个独立的芯片一起焊在同一块电路上，这个叫做系统级封装SIP。另一个是更高级的，直接把不同功能的元器件做成一颗高度集成的芯片，叫做系统级芯片Soc，它的信息传输效率更高，体积更小，但是开发成本和工艺难度也是可想而知的。这时候chiplet 的技术提供了一种全新的解法。

chiplet 的意思就是小芯片或者叫芯力，它是把一块 Soc 芯片拆解成了多个小芯片，这些小芯片通过 TSV 技术和硅中介层连接，它们之间的信息传输速率和一块完整的 Soc 芯片几乎是接近的。这样做的好处是什么呢？第一个是成本大幅下降，大面积的单颗 Soc良率很低，而小芯片的制成工艺成熟良率会高很多。这样就把晶圆制造的成本降下来了，技术门槛也降下来了。第二个是技术难度的大幅下降， Soc 芯片的开发周期长，设计难度高，而chiplet只需要分开设计各个功能模块的小芯片，难度大幅降低，可以加速芯片迭代升级的速度；第三个是灵活性更高，同一块 Soc 芯片，各个功能模块的纳米制程都是一样的，比如统一为 5 纳米，而 Chiplet 可以兼容多种工艺制程。 CPU 芯片可以是 5 纳米的，而存储芯片可以用 22 纳米。 Soc 芯片只要一个功能区域坏了，整个芯片就废了。而chiplet的封装芯片，如果一个功能区坏了，只需要把相应的模块换掉，甚至你还可以自定义升级，比如说把内存芯片换成一块容量更大的。

目前我国Chiplet行业内主流企业包括：台积电TSMC、华芯邦科技、EV Group等。其中，华芯邦科技是国内少数能够覆盖模拟电路、数字电路技术两大领域的芯片系统及解决方案的设计企业，其拥有的芯片异构集成技术为消费类电子产品行业带来了革命性的变革，还将积极探索更多行业领域的应用。

Chiplet 这个技术将大面积芯片在制造环节的难度和成本转嫁到了封装环节，而封装环节正是我们国内在半导体领域最擅长的。我们经常提到中国在芯片行业被美国卡脖子，而 Chiplet 或许就是这个破局的关键！