【导读】在人工智能、高性能计算与数据中心芯片向超高密度、超低延迟迭代的浪潮中，台积电主导的CoWoS先进封装技术成为核心支撑，更是“超越摩尔”时代异构集成的关键抓手。这项2.5D封装技术以硅中介层为核心枢纽，通过芯片-晶圆-基板的分层集成逻辑，突破了传统单芯片设计的物理与性能边界。本文将从技术本质与核心架构出发，拆解CoWoS的封装原理及中介层的核心作用，深入分析其在性能、尺寸、可靠性上的独特优势。
一、技术本质与核心架构
1.名称拆解与封装原理
CoW（Chip-on-Wafer）：首先将多个功能芯片（如 GPU、CPU、AI 加速芯片等逻辑芯片及高带宽存储器 HBM 裸片）通过微凸块（Micro-Bumps）或混合键合技术垂直堆叠并互连到一片硅晶圆中介层上，形成高密度的芯片堆叠体（CoW 模组）。
WoS（Wafer-on-Substrate）：再将上述 CoW 模组整体通过硅通孔（TSV）及再分布层（RDL）连接到更大尺寸的有机基板上，最终实现完整的封装体，与外部系统（如印刷电路板）通信。
核心逻辑：通过硅中介层作为桥梁，将不同功能、不同制程（甚至不同厂商）的芯片集成在同一封装内，突破传统单芯片设计的物理限制，实现异构系统级芯片（SiP）集成。
2.中介层（Interposer）：技术核心枢纽
硅中介层是 CoWoS 封装的核心创新载体：
硅通孔（TSV）：在中介层晶圆内制造微米级垂直互连通道，贯通芯片堆叠体的顶层与底层，实现从逻辑芯片→中介层→基板的高效电信号传输，缩短数据路径，降低延迟与功耗。
高密度再分布层（RDL）：中介层表面采用先进光刻工艺构建多层铜布线网络（线宽 / 间距可达亚微米级），为堆叠芯片提供超高密度的互连接口，支持超高速数据传输（如 HBM 与逻辑芯片间的带宽需求）。
深沟槽电容器（DTC）：部分中介层嵌入嵌入式电容，优化电源完整性（PI），抑制电源噪声，保障高频信号稳定性。
二、技术优势：为何 CoWoS 成为 AI 与 HPC 芯片的刚需？
1.突破性能瓶颈
超高带宽与低延迟：将 HBM 存储器与逻辑芯片物理紧邻堆叠在中介层上（距离仅数十微米），显著缩短数据传输距离，带宽可达传统封装的数倍以上（如 HBM3 带宽超 TB/s 级别），大幅提升 AI 训练与推理速度。
异构集成灵活性：支持不同制程（如 7nm 逻辑芯片 + 成熟制程的 I/O 芯片）、不同功能芯片（计算 / 存储 / 通信）的协同封装，兼顾性能与成本优化，延续 “超越摩尔” 发展路线。
热管理优化：硅中介层具备良好的热传导性，结合新型散热材料（如金属热界面材料 TIM）及基板散热设计，有效缓解高功率芯片（如 GPU）的局部热点问题，提升系统可靠性。
2.尺寸与成本效益
小型化与高集成度：相比传统多芯片模块（MCM）分散布局在 PCB 上的方案，CoWoS 将芯片堆叠体压缩至中介层尺度，封装尺寸更小、厚度更薄，满足数据中心及移动设备的空间限制需求。
成本可控性：通过 Chiplet 芯粒复用（同一封装内使用不同成熟度的芯片）及避免单片超大芯片（GAAFET 等先进制程成本激增），平衡高端芯片性能需求与制造成本。
3.可靠性与信号完整性
硅中介层的低热膨胀系数（CTE）匹配逻辑芯片与基板，减少热应力影响；微凸块或混合键合技术提供更稳定的互连结构，保障高频信号完整性，适用于高带宽、低电压的先进计算场景。
三、技术演进与类型分化
CoWoS 技术不断迭代升级，衍生出多个子平台以满足多样化需求：
1.CoWoS-S（Silicon Interposer）
传统硅中介层方案，是 CoWoS 的基础形态。中介层采用完整硅晶圆制造，通过四掩模拼接技术可扩展至3 倍光罩尺寸（约 2500–2700 mm²），容纳多个逻辑芯片及 8–12 个 HBM 堆栈（如 NVIDIA H100/H200、AMD MI300 系列均采用此技术）。
技术迭代：从第一代（2011 年）发展到第五代（2021 年），晶体管密度、TSV 结构及散热方案持续优化；第六代规划支持 12 颗 HBM 及双运算核心集成。
2.CoWoS-R（RDL Interposer）
以有机材料（聚合物）为基底、铜布线再分布层（RDL）构成中介层，替代硅中介层。RDL 中介层具备柔韧性，可缓冲基板与芯片间的热应力失配，提升封装可靠性与良率，同时布线密度可达 4μm 间距（2μm 线宽），满足高速信号需求。适用于对成本、良率更敏感且对中介层尺寸要求极高的场景（如超大芯片集成）。
3.CoWoS-L（Local Silicon Interconnect 重组插层）
创新架构：将传统单片硅中介层替换为多个本地硅互连（LSI）芯粒与全局 RDL 层组成的重组插层（RI）。每个 LSI 芯粒保留硅中介层的高性能互连特性（亚微米铜布线、TSV），同时规避超大硅中介层带来的良率与制造挑战（如光刻拼接误差）。
优势：实现类似硅中介层的高带宽互连性能，但制造更灵活，良率更高，可扩展性更强，适用于下一代3 倍光罩尺寸以上（>2500 mm²）的超大集成需求（如更多 HBM 堆栈或多核逻辑芯片）。
4.未来演进方向
更大集成规模：台积电规划在 2027 年推出9 倍光罩尺寸的超级载体（Super Carrier）CoWoS 技术，支持容纳 12 个以上 HBM4 堆栈及超大型逻辑芯片群，满足 AI 大模型对算力与存储的极致需求。
混合键合应用深化：逐步用混合键合技术（铜–氧化物原子级键合）替代微凸块互连，进一步缩小芯片间距（<10μm），提升带宽潜力并降低功耗，推动 CoWoS 向 3D 堆叠（Chiplet 垂直集成）延伸。
光电共封装（CPO）融合：探索将光子芯片（如激光器、调制器）集成到 CoWoS 中介层或基板，解决数据中心光电转换瓶颈，构建光电异构系统级封装。
四、封装过程中的气泡挑战与创新解决方案
在CoWoS等先进封装技术中，气泡缺陷已成为影响芯片性能与可靠性的核心瓶颈。随着芯片尺寸持续缩小、功率密度不断提升，微米甚至纳米级的气泡可能导致芯片性能下降和使用寿命缩短。在这一关键环节，屹立芯创通过技术创新为气泡防治提供了国产解决方案。
屹立芯创研发的多领域除泡系统采用独创的"震荡式真空压力与快速升降温"专利技术，首次实现"真空度-压力值-温度曲线"三参数动态联动调控，解决高精度模组封装除泡过程中无法兼顾协同性的问题。其晶圆级真空贴压膜系统采用真空下贴压膜和软垫气囊式压合专利技术，有效解决预贴膜在真空压膜过程中产生气泡或干膜填覆率不佳的问题，实现业内最高1：20的高深宽比填覆效果。
这些技术已在国内多家封测头部企业产线中实现规模化稳定运行，广泛应用于半导体封装测试、AI芯片、汽车电子等关键领域，为CoWoS等先进封装技术提供了可靠的气泡防治支持。
总结
CoWoS技术以硅中介层为核心枢纽，通过创新的分层集成逻辑，突破了传统封装的性能与物理边界，为AI、HPC等高端芯片提供了异构集成的最优解，成为“超越摩尔”时代的核心支撑。从技术迭代来看，三大子平台的分化与迭代、混合键合及光电共封装的探索，持续拓宽其应用边界；而屹立芯创的除泡技术突破，为国产CoWoS落地提供了关键保障。与此同时，成本良率、散热极限、标准化生态及可持续性等挑战，仍需行业协同攻坚。未来，随着超级载体等技术的推进，CoWoS将进一步平衡性能与成本、创新与可靠，不仅赋能AI大模型等领域爆发式增长，更将推动半导体封装产业迈向高质量发展新阶段。
