電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）在多種先進(jìn)封裝技術(shù)中，硅中介層都起到重要的作用。在臺(tái)積電CoWoS封裝中，硅中介層是高密度互連的核心，是實(shí)現(xiàn)多芯片集成和高性能的關(guān)鍵。

不過最近有消息稱，英偉達(dá)決定在下一代Rubin GPU中，為了進(jìn)一步提高散熱效率，將用碳化硅中介層替代第一代Rubin GPU上采用的硅中介層，并最晚在2027年廣泛應(yīng)用。而Rubin GPU正是采用了臺(tái)積電CoWoS封裝，因此，臺(tái)積電目前正在與主要合作伙伴聯(lián)合開發(fā)SiC中介層制造技術(shù)。如果未來(lái)SiC中介層能夠被廣泛應(yīng)用，那么將打開SiC襯底在功率芯片、光波導(dǎo)等場(chǎng)景之外的新動(dòng)能。

CoWoS和中介層

CoWoS（Chip on Wafer on Substrate）的核心是通過中介層（Interposer）將多個(gè)芯片集成在同一封裝內(nèi)，實(shí)現(xiàn)超高帶寬，低延遲的芯片間通信。從名字就能看出，CoWoS是由三層結(jié)構(gòu)組成的，分別是芯片層、硅中介層和基板。

芯片層是包括GPU、CPU、HBM在內(nèi)的芯片，這些芯片通過中介層上的微凸塊，即直徑約 20μm 的錫銅焊點(diǎn)，將芯片與中介層焊接，機(jī)械固定的同時(shí)實(shí)現(xiàn)電氣連接。
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中介層此前是采用硅材料制造，在硅片上利用垂直貫穿硅片的銅填充孔，即所謂的硅通孔來(lái)連接上下層芯片的信號(hào)和電源，縮短傳輸路徑以降低延遲。再通過由多層銅和低介電材料組成的高密度布線層，利用低至1μm的線寬和線距，實(shí)現(xiàn)超高密度的互連，以及TB/s級(jí)別的傳輸速率。

實(shí)際上，在CoWoS封裝發(fā)展的過程中，由于硅中介層的工藝復(fù)雜，成本高，所以后續(xù)也延展出RDL中介層和混合中介層等不同形式，主要目的是降低成本以及量產(chǎn)難度。比如RDL中介層用聚合物和銅布線替代硅，成本降低30%，帶寬稍低，可以應(yīng)用于邊緣計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

基板層則是傳統(tǒng)常見的有機(jī)封裝基板，是承載中介層的基礎(chǔ)，為中介層提供機(jī)械支撐和電氣接口，通過悍球陣列與PCB主板連接，提供I/O接口和電源分配、信號(hào)傳輸?shù)墓δ堋?br />
碳化硅中介層，一把雙刃劍

將中介層的硅材料，換成碳化硅，從材料的角度來(lái)看，最顯著的提升是熱管理能力上帶來(lái)了質(zhì)的飛躍，碳化硅的熱導(dǎo)率是硅的3倍以上。目前AI芯片中，中介層的散熱能力成為了瓶頸，尤其是Rubin系列芯片中，集成HBM4的多芯片產(chǎn)品功率已經(jīng)接近2000W，傳統(tǒng)硅中介層的散熱能力已接近物理極限。

碳化硅的高熱導(dǎo)率特性，可以令整體的封裝熱密度相比采用硅中介層的芯片大幅提高，以滿足未來(lái)AI芯片的高功率需求。

除了散熱，碳化硅材料由于硬度更高，高溫穩(wěn)定性更好，在集成密度和互連性能上相比硅中介層更有優(yōu)勢(shì)。去年4月，楊百翰大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出通孔深寬比達(dá)到109:1的碳化硅通孔方案，相比之下硅中介層通孔深寬比一般小于17:1。這意味著互連密度提升超過5倍，能大幅提高帶寬，為AI芯片帶來(lái)更高的數(shù)據(jù)吞吐性能。

不過，碳化硅中介層在制造加工過程中也面臨著很多問題。首先是碳化硅材料硬度極高，在切割和表面平整階段就面臨加工時(shí)間長(zhǎng)，切割平整度差的問題。在硅通孔制造的過程中往往會(huì)用到干法刻蝕設(shè)備，但對(duì)于碳化硅而言，同樣干法刻蝕所需的時(shí)間是硅的20倍。

另外，碳化硅與銅的界面結(jié)合能僅為硅的 1/3，需引入鈦、鎳過渡層，但會(huì)使接觸電阻增加 2-3 倍。石墨烯過渡層雖可將肖特基勢(shì)壘降低 0.3-0.5 eV，但需在 1200℃以上的高溫下原位生長(zhǎng)，與 CoWoS 的低溫封裝工藝（<250℃）不兼容。

還有一個(gè)比較關(guān)鍵的點(diǎn)是，目前先進(jìn)制程采用的大硅片都是12英寸，而碳化硅襯底目前主要還是6英寸或8英寸。今年以來(lái)，越來(lái)越多的襯底廠商研發(fā)出12英寸碳化硅襯底，包括天岳先進(jìn)、天科合達(dá)、晶盛機(jī)電、爍科晶體、南砂晶圓等廠商都已經(jīng)展出了相關(guān)產(chǎn)品，產(chǎn)業(yè)鏈上，12英寸碳化硅的激光剝離、多線切割等設(shè)備也已經(jīng)就緒。

最大的問題在于，12英寸碳化硅襯底的量產(chǎn)節(jié)點(diǎn)目前仍未有一個(gè)較為明確的指引，所以如果英偉達(dá)和臺(tái)積電希望在2027年實(shí)現(xiàn)碳化硅中介層的量產(chǎn)，就需要積極去推動(dòng)上游襯底、設(shè)備等廠商的量產(chǎn)進(jìn)展。

小結(jié)：

隨著AI芯片的功率和性能需求不斷提高，封裝技術(shù)的迭代已經(jīng)不僅限于結(jié)構(gòu)上的三維堆疊，高集成、高速互連等的瓶頸，需要利用材料去突破性能的限制。對(duì)于碳化硅中介層來(lái)說，短期內(nèi)，工藝上還存在非常多難點(diǎn)，但隨著碳化硅材料價(jià)格的不斷下降，12英寸襯底未來(lái)量產(chǎn)后，將會(huì)為產(chǎn)業(yè)帶來(lái)更多新的可能。