英偉達創始人兼CEO黃仁勛在2024年6月2日宣布，英偉達新一代AI芯片Blackwell系列已經開始投入生產。為了支撐英偉達不斷增長的芯片需求，作為其核心代工伙伴的臺積電正在大幅提升先進封裝CoWoS的產能。據目前市場研究報告：臺積電作為蘋果、聯發科、 高通、博通、英偉達等科技巨頭的合作商，目前市場份額超過 50%，已然成為全球晶圓代工龍頭；能夠讓頭部的科技公司都爭相擴產，臺積電的先進封裝到底有什么優勢？為什么說他卡住了 AI 的脖子？此文將從cowos封裝流程、核心工藝和技術優勢、三個層面幫你徹底搞懂封裝技術的發展脈絡，搞清楚先進封裝是個什么邏輯！

傳統封裝技術流程與弊端分析拆解

在了解封裝之前，我們可以簡單追溯一下芯片的“誕生”路徑，首先要從沙子中提取出99%純度的硅，熔練拉出硅晶柱，然后切割拋光形成硅晶圓，再以硅晶圓為基底進行光刻電路、摻雜離子等，經過這幾道繁雜且嚴謹的工序后，此刻的晶圓裸片極度脆弱易碎，并且線路沒辦法直接和外部電路連通，所以需要對它進行封裝，再把電路接通，形成芯片的最終形態。從第一原理性出發，封裝要解決的其實主要就是兩個問題，第一個是怎么封，既能保護芯片，又能順應設備小型化的趨勢，同時又要兼顧散熱、降低成本；第二個是怎么連接來提高芯片和外部電路之間的信息傳輸密度，提高信息傳輸的效率。圍繞這兩個核心目的，工程師們想出了五花八門的辦法，并且技術不斷升級，這也就形成了現在各種各樣的封裝技術。

但是萬變不離其宗，我們先來看一下最基礎、最傳統的封裝流程。舉一反三，后面復雜的技術路線你就能輕松理解了。傳統的芯片封裝可以簡化為五步，第一步，背部研磨，把晶圓研磨到合適的厚度。第二步，切割得到裸片。第三步，裝片，借助銀漿或其他膠水將裸片粘接固定在PCB 或引線框架上。第四步，鍵合，也是接通裸片和芯片之間線路最關鍵的一步，通過引線鍵合實現芯片輸入輸出端口與引線框架引腳實現電氣互聯，芯片和基板通上電，基板在和外部電路通上電，那么芯片就可以在電路上發揮作用了。第五步，塑封成型，通過模具用環氧樹脂之類的材料為芯片塑封上一個外殼。最后我們簡單梳理一下傳統封裝流程，就是從晶圓里面取出芯片裸片，把它粘在基板上，把電路連接上，把殼封上，就這么簡單。

封裝技術的發展路徑

傳統的引線鍵和封裝有兩大弊端，首先是引線的框架比較大，對于器件或產品尺寸微型化造成了阻礙，不能滿足我們設備小型化的需求；第二個是金屬引線比較長，導致芯片到基板傳輸電信號的耗時就會比較長；那么應該如何把芯片的體積封裝的更加合適？如何讓芯片的電信號傳輸的更快更好呢？圍繞這兩個核心問題，我們把封裝的技術路徑大致分為四個階段，第一個是裸線貼裝階段，代表的連接方式是引線鍵和。第二個是倒片封裝階段，代表的連接方式是焊球或者凸點。第三個是晶圓級封裝，代表的連接方式是RDL，重布線層技術。第四個是 2.5D、3D 封裝階段，代表的連接方式是 TSV 硅通孔技術、 Chiplet 封裝技術。了解完這四個元素，你就會發現，其實每一代技術之間的本質區別就是芯片和電路的連接方式的區別；

在倒片封裝階段我們解決了芯片尺寸大、散熱低等問題；晶圓級封裝階段則更進一步提高連接密度；然而在 AI 時代，高算力對芯片的傳輸速率和信息密度仍舊有非常高的要求；那如何提高芯片之間的連接密度和信號傳輸的速度呢？比如能不能把兩塊芯片封裝到一起，大幅縮短它們的連接路徑？這些問題在封裝技術的第四大階段 2.5D 封裝和 3D 封裝中得到了解決。

COWOS、Chiplet 封裝技術優勢

2.5D 和 3D 封裝技術把整個芯片系統的信息傳輸速率和傳輸密度提高了一個全新的臺階。 2011 年，臺積電推出了全球首個 2.5D 先進封裝技術，也就是大名鼎鼎的 COWOS 封裝。它通過硅通孔技術，把邏輯、計算、存儲多個芯片集成在一起。目前最頂級的算力芯片英偉達 H100 就是采用了這個工藝。 TSV 硅通孔技術還有一種巧妙的運用就是 Chiplet 封裝，它解決的不是如何進一步提高連接密度的問題，而是如何在保證連接密度的情況下減少芯片制造的難度。目前電路集成化有兩種路徑，一種就是傳統的幾個獨立的芯片一起焊在同一塊電路上，這個叫做系統級封裝SIP。另一個是更高級的，直接把不同功能的元器件做成一顆高度集成的芯片，叫做系統級芯片Soc，它的信息傳輸效率更高，體積更小，但是開發成本和工藝難度也是可想而知的。這時候chiplet 的技術提供了一種全新的解法。

chiplet 的意思就是小芯片或者叫芯力，它是把一塊 Soc 芯片拆解成了多個小芯片，這些小芯片通過 TSV 技術和硅中介層連接，它們之間的信息傳輸速率和一塊完整的 Soc 芯片幾乎是接近的。這樣做的好處是什么呢？第一個是成本大幅下降，大面積的單顆 Soc良率很低，而小芯片的制成工藝成熟良率會高很多。這樣就把晶圓制造的成本降下來了，技術門檻也降下來了。第二個是技術難度的大幅下降， Soc 芯片的開發周期長，設計難度高，而chiplet只需要分開設計各個功能模塊的小芯片，難度大幅降低，可以加速芯片迭代升級的速度；第三個是靈活性更高，同一塊 Soc 芯片，各個功能模塊的納米制程都是一樣的，比如統一為 5 納米，而 Chiplet 可以兼容多種工藝制程。 CPU 芯片可以是 5 納米的，而存儲芯片可以用 22 納米。 Soc 芯片只要一個功能區域壞了，整個芯片就廢了。而chiplet的封裝芯片，如果一個功能區壞了，只需要把相應的模塊換掉，甚至你還可以自定義升級，比如說把內存芯片換成一塊容量更大的。

目前我國Chiplet行業內主流企業包括：臺積電TSMC、華芯邦科技、EV Group等。其中，華芯邦科技是國內少數能夠覆蓋模擬電路、數字電路技術兩大領域的芯片系統及解決方案的設計企業，其擁有的芯片異構集成技術為消費類電子產品行業帶來了革命性的變革，還將積極探索更多行業領域的應用。

Chiplet 這個技術將大面積芯片在制造環節的難度和成本轉嫁到了封裝環節，而封裝環節正是我們國內在半導體領域最擅長的。我們經常提到中國在芯片行業被美國卡脖子，而 Chiplet 或許就是這個破局的關鍵！