英伟达，怎么也用上碳化硅了

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）在多种先进封装技术中，硅中介层都起到重要的作用。在台积电CoWoS封装中，硅中介层是高密度互连的核心，是实现多芯片集成和高性能的关键。

不过最近有消息称，英伟达决定在下一代Rubin GPU中，为了进一步提高散热效率，将用碳化硅中介层替代第一代Rubin GPU上采用的硅中介层，并最晚在2027年广泛应用。而Rubin GPU正是采用了台积电CoWoS封装，因此，台积电目前正在与主要合作伙伴联合开发SiC中介层制造技术。如果未来SiC中介层能够被广泛应用，那么将打开SiC衬底在功率芯片、光波导等场景之外的新动能。

CoWoS和中介层

CoWoS（Chip on Wafer on Substrate）的核心是通过中介层（Interposer）将多个芯片集成在同一封装内，实现超高带宽，低延迟的芯片间通信。从名字就能看出，CoWoS是由三层结构组成的，分别是芯片层、硅中介层和基板。

芯片层是包括GPU、CPU、HBM在内的芯片，这些芯片通过中介层上的微凸块，即直径约 20μm 的锡铜焊点，将芯片与中介层焊接，机械固定的同时实现电气连接。
 
中介层此前是采用硅材料制造，在硅片上利用垂直贯穿硅片的铜填充孔，即所谓的硅通孔来连接上下层芯片的信号和电源，缩短传输路径以降低延迟。再通过由多层铜和低介电材料组成的高密度布线层，利用低至1μm的线宽和线距，实现超高密度的互连，以及TB/s级别的传输速率。

实际上，在CoWoS封装发展的过程中，由于硅中介层的工艺复杂，成本高，所以后续也延展出RDL中介层和混合中介层等不同形式，主要目的是降低成本以及量产难度。比如RDL中介层用聚合物和铜布线替代硅，成本降低30%，带宽稍低，可以应用于边缘计算和网络设备。

基板层则是传统常见的有机封装基板，是承载中介层的基础，为中介层提供机械支撑和电气接口，通过悍球阵列与PCB主板连接，提供I/O接口和电源分配、信号传输的功能。

碳化硅中介层，一把双刃剑

将中介层的硅材料，换成碳化硅，从材料的角度来看，最显著的提升是热管理能力上带来了质的飞跃，碳化硅的热导率是硅的3倍以上。目前AI芯片中，中介层的散热能力成为了瓶颈，尤其是Rubin系列芯片中，集成HBM4的多芯片产品功率已经接近2000W，传统硅中介层的散热能力已接近物理极限。

碳化硅的高热导率特性，可以令整体的封装热密度相比采用硅中介层的芯片大幅提高，以满足未来AI芯片的高功率需求。

除了散热，碳化硅材料由于硬度更高，高温稳定性更好，在集成密度和互连性能上相比硅中介层更有优势。去年4月，杨百翰大学研究团队开发出通孔深宽比达到109:1的碳化硅通孔方案，相比之下硅中介层通孔深宽比一般小于17:1。这意味着互连密度提升超过5倍，能大幅提高带宽，为AI芯片带来更高的数据吞吐性能。

不过，碳化硅中介层在制造加工过程中也面临着很多问题。首先是碳化硅材料硬度极高，在切割和表面平整阶段就面临加工时间长，切割平整度差的问题。在硅通孔制造的过程中往往会用到干法刻蚀设备，但对于碳化硅而言，同样干法刻蚀所需的时间是硅的20倍。

另外，碳化硅与铜的界面结合能仅为硅的 1/3，需引入钛、镍过渡层，但会使接触电阻增加 2-3 倍。石墨烯过渡层虽可将肖特基势垒降低 0.3-0.5 eV，但需在 1200℃以上的高温下原位生长，与 CoWoS 的低温封装工艺（<250℃）不兼容。

还有一个比较关键的点是，目前先进制程采用的大硅片都是12英寸，而碳化硅衬底目前主要还是6英寸或8英寸。今年以来，越来越多的衬底厂商研发出12英寸碳化硅衬底，包括天岳先进、天科合达、晶盛机电、烁科晶体、南砂晶圆等厂商都已经展出了相关产品，产业链上，12英寸碳化硅的激光剥离、多线切割等设备也已经就绪。

最大的问题在于，12英寸碳化硅衬底的量产节点目前仍未有一个较为明确的指引，所以如果英伟达和台积电希望在2027年实现碳化硅中介层的量产，就需要积极去推动上游衬底、设备等厂商的量产进展。

小结：

随着AI芯片的功率和性能需求不断提高，封装技术的迭代已经不仅限于结构上的三维堆叠，高集成、高速互连等的瓶颈，需要利用材料去突破性能的限制。对于碳化硅中介层来说，短期内，工艺上还存在非常多难点，但随着碳化硅材料价格的不断下降，12英寸衬底未来量产后，将会为产业带来更多新的可能。