以下文章來源于算力冷時代圈，作者冷時代

臺積電在先進封裝技術(shù)，特別是CoWoS（Chip on Wafer on Substrate）平臺上的微通道芯片液冷技術(shù)路線，是其應對高性能計算和AI芯片高熱流密度挑戰(zhàn)的關(guān)鍵策略。本報告將基于臺積電相關(guān)的研究成果和已發(fā)表文獻，深入探討其微通道芯片封裝液冷技術(shù)的演進路線。

作為全球領(lǐng)先的晶圓代工企業(yè)，臺積電在先進封裝技術(shù)方面持續(xù)創(chuàng)新，其研發(fā)的CoWoS平臺，已成為集成高帶寬內(nèi)存（HBM）和多個系統(tǒng)級芯片（SoC）的關(guān)鍵技術(shù) 。CoWoS技術(shù)雖然極大地提升了芯片的集成度和性能，但也帶來了前所未有的散熱挑戰(zhàn)。為此，臺積電及其生態(tài)系統(tǒng)伙伴積極探索并部署一系列前沿液冷解決方案，以期有效管理這些高性能芯片所產(chǎn)生的巨大熱量，其技術(shù)演進主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

一、CoWoS平臺與芯片液冷的初期探索

（2009年前后）

CoWoS技術(shù)是臺積電開發(fā)的一種2.5D/3D堆疊異構(gòu)集成封裝解決方案，通過將多個芯片集成在單一硅中介層上實現(xiàn)高密度互聯(lián)。

工藝流程分為兩個主要步驟：首先芯片通過Chip-on-Wafer（CoW）的方式連接到硅晶圓，隨后，將此結(jié)構(gòu)與基板（Substrate）結(jié)合，形成完整的CoWoS封裝。硅中介層作為核心技術(shù)組件，利用微凸塊（μBumps）和硅通孔（TSV）替代傳統(tǒng)引線鍵合，顯著提升了芯片間的互聯(lián)密度和數(shù)據(jù)傳輸帶寬。

圖1：CoWoS 2.5D封裝示意圖

技術(shù)應用：該技術(shù)廣泛應用于數(shù)據(jù)中心和AI系統(tǒng)的HPC領(lǐng)域，以集成大型中介層、SoC芯片和高帶寬內(nèi)存（HBM）單元。

分類與演進：根據(jù)硅中介層的設(shè)計差異，臺積電將CoWoS封裝技術(shù)分為三種類型——CoWoS-S（Silicon Interposer）、CoWoS-R（RDL Interposer）以及CoWoS-L（Local Silicon Interconnect and RDL Interposer）。根據(jù)臺積電披露信息，第一個3.5倍光罩尺寸的CoWoS-L 已經(jīng)開發(fā)完成，并于2024年進入生產(chǎn)。針對 5.5倍光罩尺寸中介層的新CoWoS-L開發(fā)已于今年開始，以滿足封裝的更高性能目標。

隨著芯片功耗的增加以及芯片內(nèi)部熱點區(qū)域熱流密度達到500W/cm2以上，芯片液冷成為關(guān)鍵技術(shù)，這為后續(xù)臺積電在CoWoS平臺上集成芯片液冷方案奠定了理論基礎(chǔ)。

二、微通道芯片液冷的集成與驗證

2025年

為了解決CoWoS平臺上的高功率和高功率密度散熱問題，臺積電已在2025年的研究中展示了一種芯片液冷解決方案——硅集成微通道冷卻系統(tǒng)（IMC-Si）。

IMC-Si 通過SoIC晶圓鍵合技術(shù)，在 SoC 芯片背面制造蛋形硅微柱陣列，冷卻液直接流經(jīng)硅微柱間隙，與芯片熱源實現(xiàn)無 TIM 層接觸，將熱阻降低至趨近于零。陣列高度 150μm，直徑 340×220μm，形成硅集成微通道。（前文我們對微通道進行系統(tǒng)分析，請點擊查看微納通道冷板的技術(shù)路線及進展）該方案已在3.3X倍光罩尺寸的CoWoS-R封裝上進行了演示，其優(yōu)勢在于只需對現(xiàn)有CoWoS工藝流程進行最小化修改。這種芯片液冷解決方案通過在硅邏輯芯片和液體歧管蓋之間點膠一種耐翹曲密封劑來形成，實現(xiàn)了冷卻劑與芯片的直接接觸 。

這標志著微通道芯片液冷技術(shù)從概念驗證走向?qū)嶋H應用的關(guān)鍵一步，為未來高性能計算和AI應用提供了強大的散熱支持。

圖2：芯片液冷在 CoWoS平臺上的集成工藝流程

三、微通道芯片液冷設(shè)計與優(yōu)化

持續(xù)進行

下圖展示了微通道芯片液冷的詳細技術(shù)圖，包括芯片冷卻組件的分解圖、芯片相關(guān)組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖以及微通道冷卻板的詳細視圖，這些都用于解釋微通道芯片液冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理 。

圖3：微通道芯片液冷技術(shù)圖

結(jié)構(gòu)多樣化：研究人員對不同結(jié)構(gòu)的微通道設(shè)計進行了評估，例如微通道熱沉（MCHS）、直列微針翅熱沉（I-MPFHS）和交錯微針翅熱沉（S-MPFHS），并通過微加工和硅-硅直接鍵合技術(shù)集成到微通道芯片液冷系統(tǒng)中 。

多層微通道：多層微通道芯片液冷已被提出用于4x4芯片陣列的散熱，其熱流密度可達500W/cm2 。

變截面通道：為了進一步優(yōu)化流動和傳熱性能，研究人員還提出了可變截面微通道液冷板的設(shè)計，以解決服務器芯片微通道液冷板的挑戰(zhàn) 。這種設(shè)計有助于優(yōu)化冷卻液的流動，提高熱交換效率 。

低熱阻優(yōu)化：在實驗室環(huán)境中，微通道芯片液冷已被設(shè)計和表征用于冷卻單芯片模塊（SCM）中極高功率密度的芯片，通過多個換熱區(qū)域和優(yōu)化的翅片設(shè)計，實現(xiàn)了芯片表面與入口冷卻水之間16.2°C·mm2/W的平均單位熱阻 。在實際應用中，單相微通道液冷系統(tǒng)在流體壓降為0.25 MPa時，從冷卻系統(tǒng)表面到入口冷卻水的單位熱阻可達10.5°C·mm2/W。

四、芯片液冷封裝與多物理場耦合分析

持續(xù)進行

臺積電的微通道芯片液冷技術(shù)路線不僅關(guān)注芯片層面的冷卻，也致力于封裝到系統(tǒng)的整體熱解決方案。

芯片板載封裝：高功率芯片模塊的芯片板載（COB）封裝通過簡化制造流程、降低支撐結(jié)構(gòu)成本和提供更低的熱阻來增強散熱 。

先進鍵合技術(shù)：在先進封裝中，無凸塊銅-銅鍵合作為下一代核心技術(shù)正在興起，因為它能解決微凸點間距的限制，這對于將冷卻結(jié)構(gòu)與芯片更緊密地集成至關(guān)重要 。

圖4：芯片液冷封裝結(jié)構(gòu)

3.多物理場耦合分析：高熱流密度的微通道芯片液冷系統(tǒng)涉及到熱-流-力-電等多物理場耦合特性 。研究發(fā)現(xiàn)，芯片的焦耳熱和冷卻水流量對多場耦合效應下的冷卻性能有顯著影響，揭示了多場耦合效應的影響，并提出了增強微通道芯片液冷的方法 。

圖5：芯片液冷多物理場耦合關(guān)系圖

上圖展示了高熱流密度微通道芯片液冷系統(tǒng)中多場耦合關(guān)系的示意圖，包括熱-電雙向耦合、熱-流耦合以及熱-力單向耦合等。

小結(jié)

臺積電在CoWoS平臺上的微通道芯片液冷技術(shù)路線，是一個持續(xù)演進的、多方面的策略。它通過將先進的液冷解決方案，如微通道直接集成到封裝中，開發(fā)和優(yōu)化芯片微通道結(jié)構(gòu)等增強傳熱機制，并通過多物理場耦合分析來理解和優(yōu)化冷卻系統(tǒng)的性能，旨在有效管理高性能計算和AI芯片產(chǎn)生的高熱流密度，從而確保未來高性能芯片的可靠性和持續(xù)發(fā)展 。