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台湾产业小学堂:CoWoS 介绍

fiisual

2024/10/18

CoWoS (Chip on Wafer on Substrate) 技术通过堆叠晶片、晶圆和载板,达到异质整合的效果,适合高效能计算和数据中心应用。CoWos的2.5D封装技术,提升了晶片效能、减少发热并缩减体积。由于 AI 运算需要处理大量数据并追求高效能,对封装技术的要求也随之提升,台积电和相关供应链企业都从中受惠,近期发展值得关注。

大家有看到台积电嘉义新厂房兴建时挖到遗迹的新闻吗,这个正在新建中的厂房其实就是主力生产「CoWoS」的厂房,也是近年来在 AI 浪潮下十分热门的产业之一。究竟 CoWoS 这几个英文字母是什么意思,今天就让 fiisual 来告诉大家吧!

有兴趣了解更多半导体产业相关的朋友也可以参考台湾产业小学堂:半导体

CoWoS是什么

CoWoS解释。

CoWoS 是一种 2.5D 的封装技术,英文全名是 Chip on Wafer on Substrate,借由堆叠晶片、晶圆及载板,减少晶片之间的距离,以提升晶片的效能、减少发热能耗,并缩减体积。其中 CoW 就是「Chip-on-Wafer」意思是将晶片和晶圆堆叠;而 WoS 是「Wafer-on-Substrate」则是把晶片堆叠在基板上。

至于为什么我们会需要 CoWoS 这种封装的技术呢?这不得不先从「先进制程」开始谈起。我们常常在半导体制程中听到的 3 奈米、5 奈米等数字,代表的意义其实是「闸极长度」。闸极长度也经常代表着半导体制程的进步,长度愈低,代表制程愈进步,也意味着电晶体的单位密度愈大

除了借由技术的进步来「降低」闸极长度,借此获得更有效率的晶片,我们也可以借由先进封装来「堆叠」不同的晶片,达到异质整合的效果,同样也有机会提升效率。晶片在经过堆叠后,不仅减少了原本所需的空间,也可以借此减少功耗并提升效率。

CoWoS 基础技术

接下来我们从 CoWoS 的封装概念中,由下而上的简单介绍过程中所会涉及到的一些技术及单元。

CoWoS示意图。

1. PCB 印刷电路板&IC 载板

PCB 板和 IC 载板的功能性有类似之处,包含了提供电源连接、信号传输和整个系统的结构性支持以及帮助散热等。

IC 载板主要用于高密度、高性能的晶片集成,而 PCB 板则负责提供封装载板与外部电路之间的连接。因此,这两者在CoWoS封装中相互合作,实现了高性能、高密度和高可靠性的封装解决方案。

2. 中介板

中介板提供了多个IC晶片之间以及IC晶片与基板之间的电气连接,确保信号的传输和电力的分配,并允许来自不同制程技术和不同功能的晶片在同一封装内集成,用于多功能系统和计算应用。

3. 晶片、记忆体

CoWoS不同堆叠方式示意图。

放置 SoC、HBM等需要封装的晶片。在PCB 板到中介板的叠层中,主要是以垂直的方式叠合(3D);而在最上层的SoC晶片和HBM目前则主要是以水平的方式排列(2D),因此我们将垂直和水平综合使用的方式称为2.5D。

我们也期待在未来能够将SoC和HBM晶片叠合的技术商业化,实现3D技术的普及。

CoWoS 的出现及应用

大约 10 年前,台积电首次公开介绍 CoWoS 技术,旨在提高半导体器件的集成度和性能。当时虽然台积电已开始推广商业化应用,但由于技术成本较高,较低成本的 InfO (扇出型封装) 技术反而更为主流,因此 CoWoS 技术并未受到广泛关注。

InfOCoWoS
较低成本,相对轻薄,有散热优势较高成本;主要强调高性能;适合高端计算和数据中心应用

近年来,AI 的迅速发展驱动了对 GPU 的大量需求增长。由于 AI 运算需要处理大量数据并追求高效能,对封装技术的要求也随之提升。CoWoS 技术因其能够在同一晶圆上堆叠多个晶片并与基板连接的能力,可以提供高密度、高效能的解决方案,因此逐渐成为市场上的焦点之一。

CoWoS 相关产业链

台积电(2330)作为 CoWoS 技术独家拥有者,最高阶的制程会在厂内完成,其他封装厂难以切入,自然也就成为这波热潮下的赢家,目前 CoWoS 产能也仍处于供不应求的情况。

但尽管台积电拥有 CoWoS 的技术和专利,仍需要上游设备厂商的支持和帮助,其中相关设备非常重要,如湿制程设备、拣晶以及 AOI 设备等,相关个股:辛耘(3583)、 万润(6187) 、志圣(2467) 和弘塑 (3131) 在最近都有不错的表现。

至于 CoWoS 制程本身的材料像是 PCB 板、IC 载板及中介板,相关供应商如: 楠梓电 (2316)、ABF 载板三雄之一的欣兴 (3037) 以及联电 (2303) 等也都因为这波 AI 行情吃到相关红利。

最后封测部分,由于近期的订单急增导致供不应求,除了独家技术仍然由台积电负责外,其他基础的封装,如 WoS (Wafer-on-Substrate) 部分交由日月光投控 (3711),测试的部分则包给京元电子(2449) 处理。

以上提到的个股都在 CoWoS 的热潮中受惠,近期的发展也值得关注。

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