【深度报告】CoWoS封装的中阶层是关键——SiC材料

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CoWoS封装的中阶层是关键——SiC材料进行讲解，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。根据《Reliability Improvement Research of 2.5D CoWoS package》，2.5D CoWoS封装采用中介层互连技术，使用C2W（芯片到 晶圆）技术将ASIC、HBM和中介层连接为一个整体，再与基板连接，实现芯片、中介层和基板之间的互连。CoWoS技术旨在实现 更高集成度、更小封装尺寸、更短互连路径，以优化线宽和间距利用，提高传输速率，降低损耗和延迟。 • 根据天天IC，英伟达CEO黄仁勋在今年5月的采访中表示，CoWoS是非常先进的技术，“在目前除了CoWoS，我们无法有其他选 择”。

CoWoS制造流程根据Semianalysis，Interposer（中介层）的制造类似于传统的前端晶圆制造。

CoWoS核心价值在于interposer（中介层）的连通作用根据广电计量，CoWoS是由Chip on Wafer on Substrate缩写而来，即先将各主芯片和储存器集成堆叠到无源的Wafer（中介层） 上，再将CoW部分封装在有机载板Substrate上。 Interposer上的RDL使得各芯片之间的电信号可以直接交流，并通过Interposer中的硅通孔（TSV）传输到有机载板以完成与外界的 连接。这种封装形式具有以下优点：

 

 1、减小器件所占用的面积，充分利用纵向空间，降低功耗； 2、缩短各芯片之间的电信号传输距离，减少导线寄生电容的影响。

CoWoS核心在于interposer，目前可划分为S、R、L三种类型根据洞见热管理，CoWoS技术根据中介层所采用的材料不同，可分为CoWoS-S（硅中介层）、CoWoS-R（RDL重布线）和 CoWoS-L（LSI，重布线+部分硅中介层）三种类型。随着CoWoS封装在高性能计算（HPC）芯片上的广泛应用，其热管理问题正成为影响系统稳定性和性能释放的关键瓶颈。与传统封 装结构相比，CoWoS具备更高的集成密度和更复杂的堆叠结构，热流通路不再是单一方向的导热，而是需要穿越多个功能层、封装 材料和界面接触面。热路径中任何一层导热性能的不匹配，都可能导致局部热点、热阻叠加，进而限制芯片频率提升与长期可靠性。

三种CoWoS热管理的特点CoWos-S ：上行为散热路径：SoC顶部通过TIM与外部散热器/盖板连接，是主要热释放方 向； 下行路径中Si Interposer为硅材质，有较高热导率（约100-150 W/mK），但其 横向扩展面积较大，有一定散热作用，但热量最终还是需穿越多个热阻层（C4 bump、基板、焊料球）传至PCB；CoWoS-S结构下热路径较长、层级较多，每层 材料（如NCF、Underfill）均有热阻积累。 CoWos-R ：去除了Si Interposer，减少了一个导热界面。RDL重布线层通常由聚酰亚胺 /PSPI与铜层构成，热导率远低于硅中介层（PSPI约0.3~0.5 W/m·K），成为热 瓶颈之一。此结构封装更轻薄、更经济，但热通道变窄、热扩展路径受限，适 合中等功率芯片或结合主动散热手段（如金属盖板/VC等）进行优化。CoWos-L ：采用混合结构，将Si Interposer与RDL结合，局部引入硅中介层提升热导性， 同时通过模塑封装加强结构稳定性。LSI区块内部集成被动器件（IPD），可能 引入一定发热，同时也会形成热阻点。优点是兼顾热性能与良率，可进行定制 化热优化。对TIM、模塑材料（Molding）与Underfill提出更高热传导与可靠性 要求。Interposer的材料选择对芯片散热起到重要作用根据IBM的测试，玻璃中介层FCPBGA的逻辑芯片温度比硅中介层FCPBGA高约14℃，这仅仅是因为玻璃中介层的热导率较低。可 以看到热量在封装芯片中四处发散，在同等条件下热导系数更低的interposer材质，能使整体温度更低。

SiC用作Interposer的热性能有望高于现有的硅和玻璃

 

根据北京大学的相关论文，其制备的热管interposer在散热性能上显著优于硅与玻璃，证明了SiC衬底作为大功率器件散热主题材料 的潜力。虽然和CoWoS的interposer有差异，但从侧面验证了SiC在作为CoWoS中interposer的性能与可行性。

随着Interposer的变大，CoWoS的硅中介层还面临开裂等难题金刚石仍难以匹配芯片制造工艺，使其目前还难以成为Interposer的选择根据Nature 25年8月新文章，金刚石无论是单晶或是多晶，在IC散热领域应用仍存在较多可行性问题。 Interposer的制造需要经历光刻等制造工艺，且对材料的要求高。根据Semianalysis，芯片的最大尺寸通常为26 毫米x 33 毫米， 因为光刻工具的狭缝/扫描将该尺寸最大化。由于仅GPU 芯片就接近这个限制，并且还需要将HBM 安装在它周围，因此中介层需 要很大。未来的先进封装对光刻等制造工艺还提出了更高要求。根据Veeco，未来五年内互连密度要求不断提高，将推动对更小线路/空间要 求的需求。这些要求正在影响用于创建先进封装结构的封装技术。特别是，光刻和相关的湿法工艺在整个工艺领域都面临着挑战， 从凸块、柱子和RDL 到贯穿硅通孔（TSV）、中介层和混合键合。 •因此我们认为在金刚石在尚未能解决芯片制造（如光刻、刻蚀、镀膜等）的基本要求之前，还难以成为interposer的选项.

SiC成为解决Interposer痛点的重要方向根据Semivision，芯片的内部热路径涉及多层——硅衬底、金属互连、微凸块、底部填充、热界面材料（TIM）等。由于这些分层 的热界面，热量无法100% 有效地传递到盖子上，从而导致局部“热点”。这种累积热阻是限制芯片最大功率输出的主要因素之 一。提高热传导效率第一个关键在于缩短热路径并降低每层的界面热阻，并结合引入高导热材料，例如：SiC 衬底等。 • 近些年Piotr Mackowiak、Jared E. Payne等团队已在SiC的interposer上做了通孔、Bonding等相关研究，我们认为SiC用于先进封装 领域的interposer做了较好的理论指导，结合SiC产业链在功率器件领域多年的芯片制造经验，SiC作为CoWoS的Si interposer未来替 代者已具备一定的理论和产业基础。

SiC在散热和结构强度等关键指标上优于当前的Si材质根据Semisam，英伟达和台积电要尝试开发SiC衬底主要有两个原因：一是散热，仅HBM 产生的热量就很大，GPU 本身也会产生 大量热量。所需的热规格已经变得如此苛刻，以至于传统的硅中介层已经达到了极限；二是其非凡的强度，与易碎的玻璃基板不同， SiC 的坚固性要高得多。

SiC通孔有望实现高深宽比，进一步契合先进封装未来高速、降温方向根据Nature，3D 集成涉及使用具有导电晶圆通孔（TWV）的中介层芯片，该芯片集成了两个或多个小芯片。这些小芯片可以连接 到中介层的同一侧和/或不同侧。TWV 提供小芯片之间的电气互连。为了实现高性能，小芯片之间需要高密度的互连。中介层中 TWV 密度的极限由TWV 的最大纵横比决定，许多高纵横比通孔研究都使用硅作为其TWV 衬底。然而，由于连接的小芯片会产生 大量热量，因此需要具有高导热性的中介层来实现高性能。单晶碳化硅（SiC）是一种具有高导热性的半导体，这种属性可提供高 散热性。

SiC在结构强度上也胜于Si，减少此前开裂、翘曲等问题根据Semivision，在 CoWoS-S 中，硅中介层与TSV 相结合可提供出色的信号和电源完整性。然而，一旦中介层尺寸超过光罩边界， 产量和机械脆性风险就会急剧上升。台积电正在探索使用单晶碳化硅（SiC）作为中介层或衬底，旨在利用SiC卓越的导热性和机械 坚固性来增强散热和可靠性，同时克服硅中介层固有的尺寸和材料限制。 • 根据《Nonlinear Thermal Stress/Strain Analyses of Through SiC Via》，SiC中介层在界面处比硅中介层具有更高径向应力和更小 轴向应变。

SiC在Interposer上的应用有望进一步扩展未来先进封装的性能边界根据Piotr Mackowiak等人的论文，介绍了碳化硅（SiC）干法蚀刻工艺的开发与优化主要成果，研究成果应用于开发200μm厚带铜 金属化的SiC中介层，所开发的蚀刻技术利用了SiC优异的电学和机械性能，为宽禁带衬底的3D集成提供了多种应用可能。 •根据半导体产业纵横，SiC中介层的优势十分显著：热导率达490W/mK（是硅的3倍以上），热膨胀系数（4.3ppm/℃）与芯片材料 高度契合，既能高效散热，又能保障封装稳定性。

SiC有望成为未来CoWoS发展中Interposer最优解本文部分内容引自华西证券研究所