AI芯片发展关键痛点就是：CoWoS封装散热

摘要：由于半导体行业体系庞大，理论知识繁杂，我们将通过多个期次和专题进行全面整理讲解。本专题主要从AI芯片发展关键痛点就是：CoWoS封装散热进行讲解，让大家更准确和全面的认识半导体地整个行业体系。我们分为半导体知识、半导体“芯”闻几个模块，欢迎各位大佬交流学习。

英伟达算力芯片功率持续上升，对散热提出更高要求

 

根据Nvidia、KAIST、tomshardware，以单die维度，H100单位面积功率约0.86w/mm²，Rubin 约1.1w/mm²，下一代Feynman约 1.2w/mm²，未来的架构甚至将冲高至2w/mm²，将是H100的233%。 我们认为伴随着多die和更多HBM的设计，热传导的压力进一步加大，材料中的热导率等性能变得更加关键。

芯片发展遭遇“功耗墙”制约，散热是核心制约之一

 

根据《高算力Chiplet的热管理技术研究进展》，在微处理器40多年的发展中，晶体管数量呈指数级增加，但是典型的热设计功耗 （TDP）在最近20年基本保持在100~200W，导致芯片性能提升缓慢，集成电路发展受到“功耗墙”的严重制约。相比于SoC，基 于异质集成先进封装的Chiplet 可以实现更大面积、更多功能、更高密度的芯片集成，但也导致总热功耗增加、热分布不均、封装中 的热输运困难，同时存在严重的多物理场耦合效应，给热管理带来了更加严峻的挑战。根据Yole，英伟达和AMD在追求算力大幅提升的情况下，不得不继续提高芯片功率。

AI芯片与HBM存储紧密结合，热量堆积可能产生更多问题根据

 

Nature，硅基器件中的热传输基础为了冷却产生的热点，热量必须从产生点或局部最大值沿着系统中的热梯度转移。热传递的 两个最重要的材料属性是热容和热导率。传统层间介电材料提供的热绝缘进一步阻碍了散热，恶化了局部热点问题。这些挑战会导 致结温升高、器件性能下降以及过早失效的可能性增大。 • 根据三星电子相关论文，HBM 的温度升高可归因于环境温升（32%）、HBM 自身热阻（19%）、HBM 上方散热环境（约 11%） 以及来自 ASIC 的热耦合（38%）。

AI芯片因高速链接需求，基本上离不开CoWoS封装

 

根据Semianalysis，HBM 和 CoWoS 是互补的。HBM 的高焊盘数量和短走线长度要求需要像 CoWoS 这样的 2.5D 先进封装技术来 实现在 PCB 甚至封装基板上无法完成的如此密集、短的连接。CoWoS是主流的封装技术，以合理的成本提供最高的互连密度和最 大的封装尺寸。由于目前几乎所有的 HBM 系统都封装在 CoWoS 上，并且所有先进的 AI 加速器都使用 HBM，因此推论几乎所有 领先的数据中心 GPU 都由台积电封装在 CoWoS 上。 • 根据半导体产业纵横，HBM（高带宽内存）已是 AI 芯片的标配，但它不是随便一个封装就能适配。HBM 必须与处理器核心超近距 离、高带宽连接，这需要极密的走线与超短的连接距离。CoWoS 通过中介层提供这样的环境，让 HBM 的带宽（最高可 达 3.6TB/s）发挥到极致。

在高功率趋势下，CoWoS中介层已面临多项挑战

 

根据Semianalysis 24年8月的报道，Blackwell 家族在实现大批量生产方面遇到了重大问题。由于台积电的封装问题和英伟达的设 计，原始Blackwell封装的供应受到限制。Blackwell封装是第一个采用台积电CoWoS-L技术封装的大批量设计。 • 根据Semianalysis，CoWoS-L 是一项更复杂的技术，出现了各种各样的问题。其中一种是与在中介层中嵌入多个Bump有关，在有 机中介层内会导致各模块之间的热膨胀系数 （CTE） 不匹配，从而导致翘曲。

结论梳理：解决CoWoS封装散热问题成为AI算力芯片发展重要课题

 

根据《大功率电力电子器件散热研究综述》，当前大功率电力电子器件正朝着高功率水平、高集成度的方向发展，因此散热问题不 可避免的受到关注。已有研究表明，半导体芯片的温度每升高10 ℃，芯片的可靠性就会降低一半，器件的工作温度越高，器件的生 命周期越短。