台积电斟酌在美国布局CoWoS封装厂：完成芯片“一条龙”当地化

克日在台积电赴美召开董事会的行程时期，台积电董事长兼总裁魏哲家在美国亚利桑那州举办外部集会，作出了多项决定，减速进步制程赴美。本文援用地点：此中在进步制程局部，台积电打算在亚利桑那菲尼克斯建立的第三晶圆厂Fab 21 p将于往年年中开工，该晶圆厂将包括2nm跟A16节点制程工艺，可能提前在2027年终试产、2028年量产，比原打算提前至少一年到一年半。从台积电供给链得悉，将来将供给3nm产能的第二晶圆厂已实现主体厂房建立，正停止外部无尘室跟机电整合工程，估计2026年一季度末开端工艺装备装置，无望2026岁尾试产，2027下半年量产，进度快于此前颁布的2028年投产。对半导体工业来说，制程只是此中一环，更为要害的另有进步封装局部。台积电斟酌在美国计划CoWoS封装厂，以第一方的情势在美国供给AI GPU急切需要的进步封装产能，实现从芯片制作到制品封装的在美“一条龙”当地化。值得留神的是，台积电配合搭档安靠（Amkor）已发布建立跟TSMC Arizona配套的进步封测产能；别的，台积电竞争敌手三星电子在《CHIPS》法案正式补助协定中去失落了有关进步封装的内容。台积电抉择在美国建立CoWoS封装厂，不只有利于本身营业的拓展，也有利于美国外乡企业的需要。而更为主要的是，这种当地化的封装出产形式，将有助于进步美国半导体工业的自立性跟竞争力。什么是CoWoS封装技巧CoWoS技巧的开展能够追溯到大概15年前，详细来说，是从台积电开端斟酌怎样战胜摩尔定律行将面对的物理限度时开端的。后来，因为本钱较高，CoWoS技巧并未失掉普遍采取，只有赛灵思大批订购；随后经由一年的尽力，推出改进版的进步封装技巧，这也成为台积电日后能够战胜三星、英特尔的要害要素，跟着高机能盘算（HPC）跟人工智能（AI）范畴的需要增加，CoWoS技巧因其高集成度跟优良机能而遭到越来越多的存眷。?CoWoS封装技巧是一种进步的芯片级封装技巧，可能实现芯片之间的互联互通，进步芯片的机能跟牢靠性。经由过程应用硅通孔（TSV）跟微凸块，与传统的二维封装方式比拟，CoWoS可收缩互连长度、下降功耗并加强旌旗灯号完全性。CoWos的全称是Chip on Wafer on Substrate，经由过程在一其中介层（Interposer）上集成多个芯片（处置器跟存储器）：就是先将芯片经由过程Chip on Wafer（CoW）的封装制程衔接至硅晶圆，再把CoW芯片与基板衔接整分解CoWoS，到达减小封装体积小的后果。从前的体系面对内存限度，而今世数据核心则采取高带宽内存（HBM）来进步内存容量跟带宽，CoWoS技巧可在统一集成电路平台上实现逻辑SoC跟HBM的异质集成。这种集成对AI利用尤为主要，由于在AI利用中，年夜范围盘算才能跟疾速数据拜访是最主要的。CoWoS将处置元件跟内存元件就近设置，最年夜限制地增加了耽误，进步了吞吐量，从而为内存麋集型义务带来史无前例的机能晋升。CoWoS封装流程可大抵分别为三个阶段：· 将裸片（Die）与中介层借由微凸块（uBump）停止衔接，并经由过程底部添补（Underfill）维护芯片与中介层的衔接处；· 将裸片与载板（Carrier）相衔接，封装基板（载板）是一类用于承载芯片的线路板，也是中心的半导体封测资料，存在高密度、高精度、高机能、小型化及轻浮化的特色，可为芯片供给支持、散热跟维护的感化，同时也可为芯片与PCB母板之间供给电气衔接及物理支持。在裸片与载板相衔接后，应用化学抛光技巧（CMP）将中介层停止薄化，此步调目标在于移除中介层凹陷局部；· 切割晶圆构成芯片，并将芯片衔接至封装基板；最后加上维护封装的环形框跟盖板，应用热介面金属（TIM）弥补与盖板接适时所发生的缝隙。简略来说就是咱们能够把CoWos懂得成一种拉近晶片与晶片之间间隔进而增进运算效力的技巧 —— 假如把晶片（处置器跟存储器）设想成是一排排年夜楼，那CoWos就是能够把每栋年夜楼都盖的很近，乃至另有天桥跟地下通道衔接。这也就能够减速晶片之间的互联效力，而不CoWos之前，每栋年夜楼自力存在，互联效力十分低。最新版本CoWoS-L现在应用的CoWoS技巧可细分为S、R、L三类条线，分辨为硅中介层（Si Interposer）、重布线层（RDL）与部分硅互联技巧（LSI）。CoWoS-S这种晶圆级体系集成平台可供给多种插层尺寸、HBM破方体数目跟封装尺寸，能够实现年夜于2倍封装尺寸（或约1700平方毫米）的中介层，并集成进步SoC芯片跟四个以上HBM2/HBM2E存储器。图1：CoWoS-S封装该技巧应用单片硅内插件跟TSV，以增进芯片跟基板之间高速电旌旗灯号的直接传输，不外，单片硅内插层存在良率成绩。在2021年推出的CoWoS-S5里更新了对良品率形式的监测，不发明电阻丧失或漂移。别的，在高频率下任务时，TSV会形成旌旗灯号消耗跟掉真，起因是其尺寸较年夜（深度约为100um），所用资料也较多（埋在有消耗的硅基板内）。为了只管增加这种影响，CoWoS-S5也从新优化了TSV，对照上上一代产物的射频丈量特征，第五代拔出消耗（S21）更低，从而改良了旌旗灯号完全性。CoWoS-S5还将硅中介层扩展到3倍光罩面积，领有8个HBM2E客栈的空间，容量高达128GB。跟着AI芯片需要的激增，硅旁边层面积的扩展却带来了新挑衅：12英寸晶圆切割出的旁边层数目有所增加，这预示着台积电在CoWoS产能方面将临时面对求过于供的困境。同时，在CoWoS技巧中，GPU周边麋集安排了多个HBM，HBM数目的剧增与尺度晋升也使得其成为CoWoS中的要害瓶颈之一。CoWoS-R这项技巧用无机中介层代替了CoWoS-S的硅插层，聚合物跟铜引线形成的RDL互连器最小间距为4um（线宽/间距为2um），存在精良的旌旗灯号跟电源完全性机能，路由线的RC值较低，可实现较高的传输数据速度。与CoWoS-S比拟，CoWoS-R存在更高的牢靠性跟制品率，RDL层跟C4/UF层因SoC与响应基板之间的热收缩系数（CTE）不婚配而供给了精良的缓冲后果，C4凸块的应变能量密度年夜年夜下降。图2：CoWoS-R封装跟着算力减速卡需要连续攀升，应用CoWoS封装技巧的需要无望连续扩展。为应答产能挑衅，台积电正动手研发CoWoS的另一版本 —— CoWoS-L。此版本无望构建出包括多达8个掩模版的体系级封装（SiP）产物，预示着将来三年内，即使将CoWoS产能增加四倍，仍可能难以满意市场对高机能封装技巧的茂盛需要。CoWoS-L这种封装应用LSI跟RDL内插件，独特形成重组内插件（RI）。该计划采取中介层与LSI停止芯片间的互连，同时应用RDL层实现电源跟旌旗灯号传输，其特色包含能在高速传输中供给低消耗的高频旌旗灯号，以及可能在SoC芯片上面集成额定的元件。图3：CoWoS-L封装除了RDL内插件外，还保存了CoWoS-S的诱人特色，即TSV。这也缓解了CoWoS-S中因为应用年夜型硅内插件而发生的良品率成绩，在某些实行计划中，它还能够应用绝缘体通孔（TIV）取代TSV，以最年夜限制地下降拔出消耗。除此之外，CoWoS-L技巧还应用了深沟电容器（DTC），可供给高电容密度，从而进步体系的电气机能。这些电容器可充任电荷库，满意运转高速盘算利用时的刹时电流需要。与体系级芯片等老式封装技巧比拟，CoWoS技巧可在封装中支撑更多晶体管。全部须要大批并行盘算、处置年夜矢量数据跟须要高内存带宽的利用都最合适应用这种技巧。CoWoS是一种2.5D/3D集成技巧，与其前代产物比拟，制作庞杂度较高。制作庞杂性直接招致采取这种封装技巧的芯片本钱增添。这被以为是迩来高机能盘算跟人工智能芯片本钱增添的一个主要起因，而CoWoS的测试本钱也增添了总本钱。巨子需要激增现在，只管AI芯片尚未广泛采取最前沿的制作技巧，但其机能的连续加强却与进步的封装技巧密弗成分。根据Yole最新宣布的《2024年进步封装状态》讲演，估计将来多少年内，进步封装市场将坚持微弱增加势头。从2023年至2029年，该市场的年复合增加率将到达11%，市场范围无望增加至695亿美元。同时，DIGITIMES Research也指出，跟着云端AI减速器需要的一直攀升，估计到2025年，寰球对CoWoS及相似封装产能的需要将年夜幅回升113%。依靠CoWoS技巧，台积电已稳坐寰球封装当先位置。跟着进步封装营业在台积电团体营收中占比的连续攀升，其毛利率也浮现出持重的增加态势。市场剖析师猜测，往年台积电在进步封装范畴的收入无望突破70亿美元年夜关，乃至挑衅80亿美元的高位。现在，进步封装营业已盘踞台积电总营收的7%至9%的份额，瞻望将来五年，该部分的增加速率无望超出台积电的团体均匀程度。受供需关联影响，估计来岁3nm工艺的价钱将略有上调，而CoWoS技巧的价钱涨幅则可能到达10%至20%之间。为了应答CoWoS封装技巧产能缓和这一挑衅，台积电在近来的欧洲技巧研究会上发布，打算以超越60%的复合年增加率连续扩展CoWoS产能，估计到2026岁尾，CoWoS产能将比2023年增加四倍以上。就现在市场来说，英伟达在2025年估计仍将是寰球CoWoS进步封装的最年夜需要者，估计总需要量将是台积电全体产能的63%；而博通的需要将紧追英伟达之后，成为CoWoS进步封装需要的第二年夜客户，但所需的产能占比却远远落伍于英伟达，仅有13%；AMD跟Marvell则是并列第三年夜客户，所需的产能占比均为8%；其余客户还包含亚马逊AWS+Alchip占比3%、英特尔占比2%、赛灵思占比1%，其余厂商占比3%。据TrendForce集邦征询最新讲演表露，英伟达已将其Blackwell Ultra图形处置单位（GPU）重定名为B300系列，打算专一于向北美年夜型云效劳供给商（CSP）供给采取CoWoS-L技巧的GPU产物 —— 如B300或GB300等，这一策略调剂将明显推进CoWoS-L封装技巧市场的繁华。估计至2025年，英伟达对CoWoS-L技巧的需要将激增至38万片晶圆，相较于2024年的2万片，增加率高达惊人的1018%。台积电在美国建立新厂、采取进步封装技巧以及供给链调剂等举动，无疑将进一步减速寰球半导体工业的规划。同时，这也将为寰球半导体工业的竞争格式带来新的挑衅跟机会。