摘要：由于半導體行業(yè)體系龐大，理論知識繁雜，我們將通過多個期次和專題進行全面整理講解。本專題主要從CoWoS封裝的中階層是關(guān)鍵——SiC材料進行講解，讓大家更準確和全面的認識半導體地整個行業(yè)體系。我們分為半導體知識、半導體“芯”聞幾個模塊，歡迎各位大佬交流學習。根據(jù)《Reliability Improvement Research of 2.5D CoWoS package》，2.5D CoWoS封裝采用中介層互連技術(shù)，使用C2W（芯片到 晶圓）技術(shù)將ASIC、HBM和中介層連接為一個整體，再與基板連接，實現(xiàn)芯片、中介層和基板之間的互連。CoWoS技術(shù)旨在實現(xiàn) 更高集成度、更小封裝尺寸、更短互連路徑，以優(yōu)化線寬和間距利用，提高傳輸速率，降低損耗和延遲。 ? 根據(jù)天天IC，英偉達CEO黃仁勛在今年5月的采訪中表示，CoWoS是非常先進的技術(shù)，“在目前除了CoWoS，我們無法有其他選 擇”。

CoWoS制造流程根據(jù)Semianalysis，Interposer（中介層）的制造類似于傳統(tǒng)的前端晶圓制造。

CoWoS核心價值在于interposer（中介層）的連通作用根據(jù)廣電計量，CoWoS是由Chip on Wafer on Substrate縮寫而來，即先將各主芯片和儲存器集成堆疊到無源的Wafer（中介層） 上，再將CoW部分封裝在有機載板Substrate上。 Interposer上的RDL使得各芯片之間的電信號可以直接交流，并通過Interposer中的硅通孔（TSV）傳輸?shù)接袡C載板以完成與外界的 連接。這種封裝形式具有以下優(yōu)點：

1、減小器件所占用的面積，充分利用縱向空間，降低功耗； 2、縮短各芯片之間的電信號傳輸距離，減少導線寄生電容的影響。

CoWoS核心在于interposer，目前可劃分為S、R、L三種類型根據(jù)洞見熱管理，CoWoS技術(shù)根據(jù)中介層所采用的材料不同，可分為CoWoS-S（硅中介層）、CoWoS-R（RDL重布線）和 CoWoS-L（LSI，重布線+部分硅中介層）三種類型。隨著CoWoS封裝在高性能計算（HPC）芯片上的廣泛應用，其熱管理問題正成為影響系統(tǒng)穩(wěn)定性和性能釋放的關(guān)鍵瓶頸。與傳統(tǒng)封 裝結(jié)構(gòu)相比，CoWoS具備更高的集成密度和更復雜的堆疊結(jié)構(gòu)，熱流通路不再是單一方向的導熱，而是需要穿越多個功能層、封裝 材料和界面接觸面。熱路徑中任何一層導熱性能的不匹配，都可能導致局部熱點、熱阻疊加，進而限制芯片頻率提升與長期可靠性。

三種CoWoS熱管理的特點CoWos-S：上行為散熱路徑：SoC頂部通過TIM與外部散熱器/蓋板連接，是主要熱釋放方 向； 下行路徑中Si Interposer為硅材質(zhì)，有較高熱導率（約100-150 W/mK），但其 橫向擴展面積較大，有一定散熱作用，但熱量最終還是需穿越多個熱阻層（C4 bump、基板、焊料球）傳至PCB；CoWoS-S結(jié)構(gòu)下熱路徑較長、層級較多，每層 材料（如NCF、Underfill）均有熱阻積累。 CoWos-R：去除了Si Interposer，減少了一個導熱界面。RDL重布線層通常由聚酰亞胺 /PSPI與銅層構(gòu)成，熱導率遠低于硅中介層（PSPI約0.3~0.5 W/m·K），成為熱 瓶頸之一。此結(jié)構(gòu)封裝更輕薄、更經(jīng)濟，但熱通道變窄、熱擴展路徑受限，適 合中等功率芯片或結(jié)合主動散熱手段（如金屬蓋板/VC等）進行優(yōu)化。CoWos-L ：采用混合結(jié)構(gòu)，將Si Interposer與RDL結(jié)合，局部引入硅中介層提升熱導性， 同時通過模塑封裝加強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。LSI區(qū)塊內(nèi)部集成被動器件（IPD），可能 引入一定發(fā)熱，同時也會形成熱阻點。優(yōu)點是兼顧熱性能與良率，可進行定制 化熱優(yōu)化。對TIM、模塑材料（Molding）與Underfill提出更高熱傳導與可靠性 要求。Interposer的材料選擇對芯片散熱起到重要作用根據(jù)IBM的測試，玻璃中介層FCPBGA的邏輯芯片溫度比硅中介層FCPBGA高約14℃，這僅僅是因為玻璃中介層的熱導率較低?？?以看到熱量在封裝芯片中四處發(fā)散，在同等條件下熱導系數(shù)更低的interposer材質(zhì)，能使整體溫度更低。

SiC用作Interposer的熱性能有望高于現(xiàn)有的硅和玻璃

根據(jù)北京大學的相關(guān)論文，其制備的熱管interposer在散熱性能上顯著優(yōu)于硅與玻璃，證明了SiC襯底作為大功率器件散熱主題材料 的潛力。雖然和CoWoS的interposer有差異，但從側(cè)面驗證了SiC在作為CoWoS中interposer的性能與可行性。

隨著Interposer的變大，CoWoS的硅中介層還面臨開裂等難題金剛石仍難以匹配芯片制造工藝，使其目前還難以成為Interposer的選擇根據(jù)Nature 25年8月新文章，金剛石無論是單晶或是多晶，在IC散熱領(lǐng)域應用仍存在較多可行性問題。Interposer的制造需要經(jīng)歷光刻等制造工藝，且對材料的要求高。根據(jù)Semianalysis，芯片的最大尺寸通常為26 毫米x 33 毫米， 因為光刻工具的狹縫/掃描將該尺寸最大化。由于僅GPU 芯片就接近這個限制，并且還需要將HBM 安裝在它周圍，因此中介層需 要很大。未來的先進封裝對光刻等制造工藝還提出了更高要求。根據(jù)Veeco，未來五年內(nèi)互連密度要求不斷提高，將推動對更小線路/空間要 求的需求。這些要求正在影響用于創(chuàng)建先進封裝結(jié)構(gòu)的封裝技術(shù)。特別是，光刻和相關(guān)的濕法工藝在整個工藝領(lǐng)域都面臨著挑戰(zhàn)， 從凸塊、柱子和RDL 到貫穿硅通孔（TSV）、中介層和混合鍵合。 ?因此我們認為在金剛石在尚未能解決芯片制造（如光刻、刻蝕、鍍膜等）的基本要求之前，還難以成為interposer的選項.

SiC成為解決Interposer痛點的重要方向根據(jù)Semivision，芯片的內(nèi)部熱路徑涉及多層——硅襯底、金屬互連、微凸塊、底部填充、熱界面材料（TIM）等。由于這些分層 的熱界面，熱量無法100% 有效地傳遞到蓋子上，從而導致局部“熱點”。這種累積熱阻是限制芯片最大功率輸出的主要因素之 一。提高熱傳導效率第一個關(guān)鍵在于縮短熱路徑并降低每層的界面熱阻，并結(jié)合引入高導熱材料，例如：SiC 襯底等。 ? 近些年P(guān)iotr Mackowiak、Jared E. Payne等團隊已在SiC的interposer上做了通孔、Bonding等相關(guān)研究，我們認為SiC用于先進封裝 領(lǐng)域的interposer做了較好的理論指導，結(jié)合SiC產(chǎn)業(yè)鏈在功率器件領(lǐng)域多年的芯片制造經(jīng)驗，SiC作為CoWoS的Si interposer未來替 代者已具備一定的理論和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。

SiC在散熱和結(jié)構(gòu)強度等關(guān)鍵指標上優(yōu)于當前的Si材質(zhì)根據(jù)Semisam，英偉達和臺積電要嘗試開發(fā)SiC襯底主要有兩個原因：一是散熱，僅HBM 產(chǎn)生的熱量就很大，GPU 本身也會產(chǎn)生 大量熱量。所需的熱規(guī)格已經(jīng)變得如此苛刻，以至于傳統(tǒng)的硅中介層已經(jīng)達到了極限；二是其非凡的強度，與易碎的玻璃基板不同， SiC 的堅固性要高得多。

SiC通孔有望實現(xiàn)高深寬比，進一步契合先進封裝未來高速、降溫方向根據(jù)Nature，3D 集成涉及使用具有導電晶圓通孔（TWV）的中介層芯片，該芯片集成了兩個或多個小芯片。這些小芯片可以連接 到中介層的同一側(cè)和/或不同側(cè)。TWV 提供小芯片之間的電氣互連。為了實現(xiàn)高性能，小芯片之間需要高密度的互連。中介層中 TWV 密度的極限由TWV 的最大縱橫比決定，許多高縱橫比通孔研究都使用硅作為其TWV 襯底。然而，由于連接的小芯片會產(chǎn)生 大量熱量，因此需要具有高導熱性的中介層來實現(xiàn)高性能。單晶碳化硅（SiC）是一種具有高導熱性的半導體，這種屬性可提供高 散熱性。

SiC在結(jié)構(gòu)強度上也勝于Si，減少此前開裂、翹曲等問題根據(jù)Semivision，在 CoWoS-S 中，硅中介層與TSV 相結(jié)合可提供出色的信號和電源完整性。然而，一旦中介層尺寸超過光罩邊界， 產(chǎn)量和機械脆性風險就會急劇上升。臺積電正在探索使用單晶碳化硅（SiC）作為中介層或襯底，旨在利用SiC卓越的導熱性和機械 堅固性來增強散熱和可靠性，同時克服硅中介層固有的尺寸和材料限制。 ? 根據(jù)《Nonlinear Thermal Stress/Strain Analyses of Through SiC Via》，SiC中介層在界面處比硅中介層具有更高徑向應力和更小 軸向應變。

SiC在Interposer上的應用有望進一步擴展未來先進封裝的性能邊界根據(jù)Piotr Mackowiak等人的論文，介紹了碳化硅（SiC）干法蝕刻工藝的開發(fā)與優(yōu)化主要成果，研究成果應用于開發(fā)200μm厚帶銅 金屬化的SiC中介層，所開發(fā)的蝕刻技術(shù)利用了SiC優(yōu)異的電學和機械性能，為寬禁帶襯底的3D集成提供了多種應用可能。 ?根據(jù)半導體產(chǎn)業(yè)縱橫，SiC中介層的優(yōu)勢十分顯著：熱導率達490W/mK（是硅的3倍以上），熱膨脹系數(shù)（4.3ppm/℃）與芯片材料 高度契合，既能高效散熱，又能保障封裝穩(wěn)定性。

SiC有望成為未來CoWoS發(fā)展中Interposer最優(yōu)解本文部分內(nèi)容引自華西證券研究所