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随着半导体技术的不断发展，先进封装技术在提升芯片性能方面扮演着越来越重要的角色。CoWoS作为一种2.5D先进封装技术，自2011年台积电开发以来，已经经历了多次技术迭代，并在AI算力芯片及HBM领域得到了广泛应用。本文将深入分析CoWoS技术的优势、挑战、市场现状以及发展趋势，为行业从业者和投资者提供参考。
关键词：先进封装、CoWoS、AI算力芯片、HBM、半导体技术
1. CoWoS技术的优势
CoWoS技术具有高度集成、高速和高可靠性、高性价比等优势。通过将不同的芯片堆叠在同一片硅中介层上，实现了多颗芯片的互联，从而在更小的空间内提供更强大的功能。这种技术特别适用于对空间效率有极高要求的行业，如互联网、5G和人工智能。由于芯片与晶圆直接相连，CoWoS封装技术可以提高信号传输速度和可靠性，有效缩短电子器件的信号传输距离，减少传输时延和能量损失。此外，相比于传统的封装技术，CoWoS技术可以降低芯片的制造成本和封装成本，因为它避免了传统封装技术中的繁琐步骤，如铜线缠绕、耗材成本高等，从而提高生产效率和降低成本。
2. CoWoS技术的挑战
尽管CoWoS技术具有诸多优势，但也面临着制造复杂性、集成和良率挑战、电气挑战、散热挑战等问题。2.5D和3D集成电路的测试难度较大，因为每个晶圆芯片在安装到中介层之前都需要单独测试，安装后还需要再次测试。此外，硅通孔（TSV）也需要测试，大型硅中介层特别容易受到制造缺陷的影响，可能导致产量损失。信号完整性方面，随着数据速率的提高，由于TSV的寄生电容和电感，互连的信号传输会变差。电源完整性方面，CoWoS封装通常用于具有较高数据切换率和较低工作电压的高性能应用，这使得这些封装容易受到电源完整性挑战。制造复杂性方面，CoWoS是一种2.5D/3D集成技术，与前代技术相比，制造复杂性显著增加，直接导致采用这种封装技术的芯片成本增加。散热方面，由于中介层和基板之间的热膨胀系数（CTE）不同，CoWoS封装会遇到散热问题，使用有机中介层和底部填充材料可以在一定程度上限制散热问题。
3. 产业市场现状
后摩尔时代，先进制程工艺演进逼近物理极限，先进封装（AP）成了延续芯片性能持续提升的重要途径之一。2020年-2023年，全球半导体先进封装市场规模稳步上升，自2020年的300亿美元上升至2023年的439亿美元，年复合增长率为13.5%。预计2024年，全球半导体先进封装市场规模将进一步上升，达472.5亿美元。在中国，2020年半导体先进封装市场规模为351.3亿元，据中商产业研究院预测，2025年中国先进封装市场规模将超过1100亿元，年复合增长率达26.5%。CoWoS先进封装技术主要应用于AI算力芯片及HBM领域，英伟达是CoWoS主要需求大厂，在台积电的CoWoS产能中，英伟达占整体供应量比重超过50%。随着先进AI加速器、图形处理单元及高性能计算应用的蓬勃发展，所需处理的数据量正以前所未有的速度激增，这一趋势直接推动了高带宽内存（HBM）销量的急剧攀升。数据显示，2029年全球HBM行业市场规模达79.5亿美元；2020-2023年中国HBM市场规模自3亿元上升至25.3亿元，年复合增长率达204%。HBM走线长度短、焊盘数高，在PCB甚至封装基板上无法实现密集且短的连接，因此还需要CoWoS等2.5D先进封装技术来实现。目前大部分HBM均使用此项技术，HBM的产能都将受制于CoWoS产能，HBM需求激增进一步加剧了CoWoS封装的供不应求情况。
4. 中国大陆主要参与企业
目前，中国大陆有多家企业参与了先进封装技术的研发和生产。长电科技是全球领先的集成电路制造与技术服务提供商，在中国、韩国及新加坡拥有两大研发中心和六大集成电路成品生产基地，业务机构分布于世界各地。长电科技拥有高集成度的晶圆级WLP、2.5D/3D、系统级（SiP）封装技术和高性能的Flip Chip和引线互联封装技术。通富微电具有行业一流的封装技术水平和广泛的产品布局优势，先后承担了多项国家级技术改造、科技攻关项目，并取得了丰硕的技术创新成果。华天科技已掌握了SiP、FC、TSV、Bumping、Fan-Out、WLP、3D等集成电路先进封装技术，持续推进FOPLP封装工艺开发和2.5D工艺验证。
5. CoWoS技术发展趋势
CoWoS-L有望成为下一阶段的主要封装类型。CoWoS-L结合了CoWoS-S和InFO技术的优点，使用中介层与LSI芯片进行芯片间互连，并使用RDL层进行功率和信号传输，从而提供最灵活的集成。CoWoS-L的中介层包括多个局部硅互连（local silicon interconnect，LSI）芯片和全局重布线（global redistribution layers），形成一个重组的中介层（reconstituted interposer，RI），以替代CoWoS-S中的单片硅中介层。LSI芯片保留了硅中介层的所有优秀特性，包括保留亚微米铜互连、硅通孔（TSV）和嵌入式深沟槽电容器（eDTC），以确保良好的系统性能，同时避免了单个大型硅中介层的良率损失问题。在电气性能方面，CoWoS平台引入第一代深沟槽电容器（eDTC）用于提升电气性能。此前配备第一代eDTC的CoWoS可以将系统电源分配网络（PDN）的阻抗降低93%，压降比没有使用eDTC的情况低72%。此外，HBM VDDQ的同步开关噪声（SSN）可以在3.2 GHz时比没有eDTC的情况减少到38%。由于SSN减少，信号完整性也可以得到改善。新一代的eDTC可以提供1100 nF/mm²的电容密度，高电容密度为高速计算的电源效率提供了巨大的优势。出于良率考虑，单个硅芯片上eDTC的最大面积上限约为300平方毫米。通过连接所有LSI芯片的电容，CoWoS-L搭载多个LSI芯片，可以显著增加RI上的总eDTC电容。
相关FAQs：
Q1: CoWoS是什么？
CoWoS是一种2.5D先进封装技术，由CoW和oS组合而来。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。核心是将不同的芯片堆叠在同一片硅中介层实现多颗芯片互联。
Q2: CoWoS的优势是什么？
CoWoS具有高度集成、高速和高可靠性、高性价比等优势。通过将不同的芯片堆叠在同一片硅中介层上，实现了多颗芯片的互联，从而在更小的空间内提供更强大的功能。这种技术特别适用于对空间效率有极高要求的行业，如互联网、5G和人工智能。
Q3: CoWoS面临哪些挑战？
CoWoS面临制造复杂性、集成和良率挑战、电气挑战、散热挑战等问题。2.5D和3D集成电路的测试难度较大，因为每个晶圆芯片在安装到中介层之前都需要单独测试，安装后还需要再次测试。此外，硅通孔（TSV）也需要测试，大型硅中介层特别容易受到制造缺陷的影响，可能导致产量损失。
Q4: 中国大陆有哪些企业参与CoWoS技术的研发和生产？
目前，中国大陆有多家企业参与了先进封装技术的研发和生产。长电科技是全球领先的集成电路制造与技术服务提供商，拥有高集成度的晶圆级WLP、2.5D/3D、系统级（SiP）封装技术和高性能的Flip Chip和引线互联封装技术。通富微电具有行业一流的封装技术水平和广泛的产品布局优势，先后承担了多项国家级技术改造、科技攻关项目，并取得了丰硕的技术创新成果。华天科技已掌握了SiP、FC、TSV、Bumping、Fan-Out、WLP、3D等集成电路先进封装技术，持续推进FOPLP封装工艺开发和2.5D工艺验证。
