近日在臺(tái)積電赴美召開董事會(huì)的行程期間，臺(tái)積電董事長(zhǎng)兼總裁魏哲家在美國(guó)亞利桑那州舉行內(nèi)部會(huì)議，作出了多項(xiàng)決議，加速先進(jìn)制程赴美。

其中在先進(jìn)制程部分，臺(tái)積電計(jì)劃在亞利桑那菲尼克斯建設(shè)的第三晶圓廠Fab 21 p將于今年年中動(dòng)工，該晶圓廠將包含2nm和A16節(jié)點(diǎn)制程工藝，可能提早在2027年初試產(chǎn)、2028年量產(chǎn)，比原計(jì)劃提前至少一年到一年半。從臺(tái)積電供應(yīng)鏈獲悉，未來將供應(yīng)3nm產(chǎn)能的第二晶圓廠已完成主體廠房建設(shè)，正進(jìn)行內(nèi)部無塵室和機(jī)電整合工程，預(yù)計(jì)2026年一季度末開始工藝設(shè)備安裝，有望2026年底試產(chǎn)，2027下半年量產(chǎn)，進(jìn)度快于此前公布的2028年投產(chǎn)。

對(duì)于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來說，制程只是其中一環(huán)，更為關(guān)鍵的還有先進(jìn)封裝部分。臺(tái)積電考慮在美國(guó)規(guī)劃CoWoS封裝廠，以第一方的形式在美國(guó)供應(yīng)AI GPU迫切需求的先進(jìn)封裝產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)從芯片制造到成品封裝的在美“一條龍”本地化。值得注意的是，臺(tái)積電合作伙伴安靠（Amkor）已宣布建設(shè)和TSMC Arizona配套的先進(jìn)封測(cè)產(chǎn)能；此外，臺(tái)積電競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手三星電子在《CHIPS》法案正式補(bǔ)貼協(xié)議中去掉了有關(guān)先進(jìn)封裝的內(nèi)容。

臺(tái)積電選擇在美國(guó)建設(shè)CoWoS封裝廠，不僅有利于自身業(yè)務(wù)的拓展，也有利于美國(guó)本土企業(yè)的需求。而更為重要的是，這種本地化的封裝生產(chǎn)模式，將有助于提高美國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的自主性和競(jìng)爭(zhēng)力。

什么是CoWoS封裝技術(shù)

CoWoS技術(shù)的發(fā)展可以追溯到大約15年前，具體來說，是從臺(tái)積電開始考慮如何克服摩爾定律即將面臨的物理限制時(shí)開始的。起初，由于成本較高，CoWoS技術(shù)并未得到廣泛采用，只有賽靈思少量訂購(gòu)；隨后經(jīng)過一年的努力，推出改良版的先進(jìn)封裝技術(shù)，這也成為臺(tái)積電日后可以打敗三星、英特爾的關(guān)鍵因素，隨著高性能計(jì)算（HPC）和人工智能（AI）領(lǐng)域的需求增長(zhǎng)，CoWoS技術(shù)因其高集成度和優(yōu)異性能而受到越來越多的關(guān)注。 

CoWoS封裝技術(shù)是一種先進(jìn)的芯片級(jí)封裝技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)芯片之間的互聯(lián)互通，提高芯片的性能和可靠性。通過利用硅通孔（TSV）和微凸塊，與傳統(tǒng)的二維封裝方法相比，CoWoS可縮短互連長(zhǎng)度、降低功耗并增強(qiáng)信號(hào)完整性。

CoWos的全稱是Chip on Wafer on Substrate，通過在一個(gè)中介層（Interposer）上集成多個(gè)芯片（處理器和存儲(chǔ)器）：就是先將芯片通過Chip on Wafer（CoW）的封裝制程連接至硅晶圓，再把CoW芯片與基板連接整合成CoWoS，達(dá)到減小封裝體積小的效果。

以前的系統(tǒng)面臨內(nèi)存限制，而當(dāng)代數(shù)據(jù)中心則采用高帶寬內(nèi)存（HBM）來提高內(nèi)存容量和帶寬，CoWoS技術(shù)可在同一集成電路平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)邏輯SoC和HBM的異質(zhì)集成。這種集成對(duì)于AI應(yīng)用尤為重要，因?yàn)樵贏I應(yīng)用中，大規(guī)模計(jì)算能力和快速數(shù)據(jù)訪問是最重要的。CoWoS將處理元件和內(nèi)存元件就近配置，最大限度地減少了延遲，提高了吞吐量，從而為內(nèi)存密集型任務(wù)帶來前所未有的性能提升。

CoWoS封裝流程可大致劃分為三個(gè)階段：

· 將裸片（Die）與中介層借由微凸塊（uBump）進(jìn)行連接，并通過底部填充（Underfill）保護(hù)芯片與中介層的連接處；

· 將裸片與載板（Carrier）相連接，封裝基板（載板）是一類用于承載芯片的線路板，也是核心的半導(dǎo)體封測(cè)材料，具有高密度、高精度、高性能、小型化及輕薄化的特點(diǎn)，可為芯片提供支撐、散熱和保護(hù)的作用，同時(shí)也可為芯片與PCB母板之間提供電氣連接及物理支撐。在裸片與載板相連接后，利用化學(xué)拋光技術(shù)（CMP）將中介層進(jìn)行薄化，此步驟目的在于移除中介層凹陷部分；

· 切割晶圓形成芯片，并將芯片連接至封裝基板；最后加上保護(hù)封裝的環(huán)形框和蓋板，使用熱介面金屬（TIM）填補(bǔ)與蓋板接合時(shí)所產(chǎn)生的空隙。

簡(jiǎn)單來說就是我們可以把CoWos理解成一種拉近晶片與晶片之間距離進(jìn)而促進(jìn)運(yùn)算效率的技術(shù) —— 如果把晶片（處理器和存儲(chǔ)器）想象成是一排排大樓，那CoWos就是可以把每棟大樓都蓋的很近，甚至還有天橋和地下通道連接。這也就可以加速晶片之間的互聯(lián)效率，而沒有CoWos之前，每棟大樓獨(dú)立存在，互聯(lián)效率非常低。

最新版本CoWoS-L

目前使用的CoWoS技術(shù)可細(xì)分為S、R、L三類條線，分別為硅中介層（Si Interposer）、重布線層（RDL）與局部硅互聯(lián)技術(shù)（LSI）。

CoWoS-S

這種晶圓級(jí)系統(tǒng)集成平臺(tái)可提供多種插層尺寸、HBM立方體數(shù)量和封裝尺寸，可以實(shí)現(xiàn)大于2倍封裝尺寸（或約1700平方毫米）的中介層，并集成先進(jìn)SoC芯片和四個(gè)以上HBM2/HBM2E存儲(chǔ)器。

圖1：CoWoS-S封裝

該技術(shù)使用單片硅內(nèi)插件和TSV，以促進(jìn)芯片和基板之間高速電信號(hào)的直接傳輸，不過，單片硅內(nèi)插層存在良率問題。在2021年推出的CoWoS-S5里更新了對(duì)良品率模式的監(jiān)測(cè)，沒有發(fā)現(xiàn)電阻損失或漂移。

此外，在高頻率下工作時(shí)，TSV會(huì)造成信號(hào)損耗和失真，原因是其尺寸較大（深度約為100um），所用材料也較多（埋在有損耗的硅基板內(nèi)）。為了盡量減少這種影響，CoWoS-S5也重新優(yōu)化了TSV，對(duì)比上上一代產(chǎn)品的射頻測(cè)量特性，第五代插入損耗（S21）更低，從而改善了信號(hào)完整性。

CoWoS-S5還將硅中介層擴(kuò)大到3倍光罩面積，擁有8個(gè)HBM2E堆棧的空間，容量高達(dá)128GB。隨著AI芯片需求的激增，硅中間層面積的擴(kuò)大卻帶來了新挑戰(zhàn)：12英寸晶圓切割出的中間層數(shù)量有所減少，這預(yù)示著臺(tái)積電在CoWoS產(chǎn)能方面將長(zhǎng)期面臨供不應(yīng)求的窘境。同時(shí)，在CoWoS技術(shù)中，GPU周邊密集布置了多個(gè)HBM，HBM數(shù)量的劇增與標(biāo)準(zhǔn)提升也使得其成為CoWoS中的關(guān)鍵瓶頸之一。

CoWoS-R

這項(xiàng)技術(shù)用有機(jī)中介層取代了CoWoS-S的硅插層，聚合物和銅引線構(gòu)成的RDL互連器最小間距為4um（線寬/間距為2um），具有良好的信號(hào)和電源完整性性能，路由線的RC值較低，可實(shí)現(xiàn)較高的傳輸數(shù)據(jù)速率。與CoWoS-S相比，CoWoS-R具有更高的可靠性和成品率，RDL層和C4/UF層因SoC與相應(yīng)基板之間的熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配而提供了良好的緩沖效果，C4凸塊的應(yīng)變能量密度大大降低。

圖2：CoWoS-R封裝

隨著算力加速卡需求持續(xù)攀升，使用CoWoS封裝技術(shù)的需求有望持續(xù)擴(kuò)大。為應(yīng)對(duì)產(chǎn)能挑戰(zhàn)，臺(tái)積電正著手研發(fā)CoWoS的另一版本 —— CoWoS-L。此版本有望構(gòu)建出包含多達(dá)8個(gè)掩模版的系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）產(chǎn)品，預(yù)示著未來三年內(nèi)，即便將CoWoS產(chǎn)能增長(zhǎng)四倍，仍可能難以滿足市場(chǎng)對(duì)高性能封裝技術(shù)的旺盛需求。

CoWoS-L

這種封裝使用LSI和RDL內(nèi)插件，共同構(gòu)成重組內(nèi)插件（RI）。該方案采用中介層與LSI進(jìn)行芯片間的互連，同時(shí)利用RDL層實(shí)現(xiàn)電源和信號(hào)傳輸，其特點(diǎn)包括能在高速傳輸中提供低損耗的高頻信號(hào)，以及能夠在SoC芯片下面集成額外的元件。

圖3：CoWoS-L封裝

除了RDL內(nèi)插件外，還保留了CoWoS-S的誘人特點(diǎn)，即TSV。這也緩解了CoWoS-S中由于使用大型硅內(nèi)插件而產(chǎn)生的良品率問題，在某些實(shí)施方案中，它還可以使用絕緣體通孔（TIV）代替TSV，以最大限度地降低插入損耗。除此之外，CoWoS-L技術(shù)還使用了深溝電容器（DTC），可提供高電容密度，從而提高系統(tǒng)的電氣性能。這些電容器可充當(dāng)電荷庫(kù)，滿足運(yùn)行高速計(jì)算應(yīng)用時(shí)的瞬時(shí)電流需求。

與系統(tǒng)級(jí)芯片等老式封裝技術(shù)相比，CoWoS技術(shù)可在封裝中支持更多晶體管。所有需要大量并行計(jì)算、處理大矢量數(shù)據(jù)和需要高內(nèi)存帶寬的應(yīng)用都最適合使用這種技術(shù)。

CoWoS是一種2.5D/3D集成技術(shù)，與其前代產(chǎn)品相比，制造復(fù)雜度較高。制造復(fù)雜性直接導(dǎo)致采用這種封裝技術(shù)的芯片成本增加。這被認(rèn)為是近來高性能計(jì)算和人工智能芯片成本增加的一個(gè)重要原因，而CoWoS的測(cè)試成本也增加了總成本。

巨頭需求激增

目前，盡管AI芯片尚未普遍采用最前沿的制造技術(shù)，但其性能的持續(xù)增強(qiáng)卻與先進(jìn)的封裝技術(shù)密不可分。依據(jù)Yole最新發(fā)布的《2024年先進(jìn)封裝狀況》報(bào)告，預(yù)計(jì)未來幾年內(nèi)，先進(jìn)封裝市場(chǎng)將保持強(qiáng)勁增長(zhǎng)勢(shì)頭。從2023年至2029年，該市場(chǎng)的年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到11%，市場(chǎng)規(guī)模有望增長(zhǎng)至695億美元。同時(shí)，DIGITIMES Research也指出，隨著云端AI加速器需求的不斷攀升，預(yù)計(jì)到2025年，全球?qū)oWoS及類似封裝產(chǎn)能的需求將大幅上升113%。

依托CoWoS技術(shù)，臺(tái)積電已穩(wěn)坐全球封裝領(lǐng)先地位。隨著先進(jìn)封裝業(yè)務(wù)在臺(tái)積電整體營(yíng)收中占比的持續(xù)攀升，其毛利率也呈現(xiàn)出穩(wěn)健的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。市場(chǎng)分析師預(yù)測(cè)，今年臺(tái)積電在先進(jìn)封裝領(lǐng)域的收入有望沖破70億美元大關(guān)，甚至挑戰(zhàn)80億美元的高位。目前，先進(jìn)封裝業(yè)務(wù)已占據(jù)臺(tái)積電總營(yíng)收的7%至9%的份額，展望未來五年，該部門的增長(zhǎng)速度有望超越臺(tái)積電的整體平均水平。

受供需關(guān)系影響，預(yù)計(jì)明年3nm工藝的價(jià)格將略有上調(diào)，而CoWoS技術(shù)的價(jià)格漲幅則可能達(dá)到10%至20%之間。為了應(yīng)對(duì)CoWoS封裝技術(shù)產(chǎn)能緊張這一挑戰(zhàn)，臺(tái)積電在最近的歐洲技術(shù)研討會(huì)上宣布，計(jì)劃以超過60%的復(fù)合年增長(zhǎng)率持續(xù)擴(kuò)大CoWoS產(chǎn)能，預(yù)計(jì)到2026年底，CoWoS產(chǎn)能將比2023年增長(zhǎng)四倍以上。

就目前市場(chǎng)來說，英偉達(dá)在2025年預(yù)計(jì)仍將是全球CoWoS先進(jìn)封裝的最大需求者，預(yù)計(jì)總需求量將是臺(tái)積電全部產(chǎn)能的63%；而博通的需求將緊追英偉達(dá)之后，成為CoWoS先進(jìn)封裝需求的第二大客戶，但所需的產(chǎn)能占比卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于英偉達(dá)，僅有13%；AMD和Marvell則是并列第三大客戶，所需的產(chǎn)能占比均為8%；其他客戶還包括亞馬遜AWS+Alchip占比3%、英特爾占比2%、賽靈思占比1%，其他廠商占比3%。

據(jù)TrendForce集邦咨詢最新報(bào)告披露，英偉達(dá)已將其Blackwell Ultra圖形處理單元（GPU）重命名為B300系列，計(jì)劃專注于向北美大型云服務(wù)提供商（CSP）供應(yīng)采用CoWoS-L技術(shù)的GPU產(chǎn)品 —— 如B300或GB300等，這一戰(zhàn)略調(diào)整將顯著推動(dòng)CoWoS-L封裝技術(shù)市場(chǎng)的繁榮。預(yù)計(jì)至2025年，英偉達(dá)對(duì)CoWoS-L技術(shù)的需求將激增至38萬片晶圓，相較于2024年的2萬片，增長(zhǎng)率高達(dá)驚人的1018%。

臺(tái)積電在美國(guó)建設(shè)新廠、采用先進(jìn)封裝技術(shù)以及供應(yīng)鏈調(diào)整等舉措，無疑將進(jìn)一步加速全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的布局。同時(shí)，這也將為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)格局帶來新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。