台积电2.5/3D先进封装布局详解

当地时间6月16日，晶圆代工巨头台积电在美国加利福尼亚州圣克拉拉召开了2022年台积电技术研讨会，介绍了台积电的技术现状和即将推出的路线图，涵盖了工艺技术和先进封装开发的各个方面。

在之前的报道《台积电2nm细节曝光：功耗降低30%！成熟制程产能2025年将提升50%》当中，我们有介绍关于制程工艺技术的部分。今天我们再来聊聊台积电的先进封装技术。

一、台积电的3D Fabric产品组合

在2.5D和3D先进封装技术方面，台积电已经布局了超过10年。目前，台积电已将2.5D和3D先进封装相关技术整合为“3DFabric”平台，可让客户们自由选配，前段技术包含3D的整合芯片系统（SoIC InFO-3D），后段组装测试相关技术包含2D/2.5D的整合型扇出（InFO）以及2.5D的CoWoS系列家族。

从技术上来讲，SoC与“3D”高带宽内存 HBM 堆栈的 2.5D 集成已经是一个组合产品。如上所述，台积电设想未来将3D SoIC与2.5D CoWoS/InFO相结合，作为非常复杂的异构系统设计的一部分，实现更丰富的拓扑结构组合。

与研讨会上的工艺技术演示一样，台积电对其先进封装技术的更新非常简单 ——表明成功的、持续的路线图执行。下面将重点介绍几个代表新方向的具体领域。

特别值得注意的是台积电对高级系统集成工厂的投资，该工厂将支持3D Fabric产品，提供完整的组装和测试制造能力。

二、2.5D封装

有两类2.5D封装技术 - “片上晶圆基板”（CoWoS）和“集成扇出”（InFO）。

（请注意，在上图中，台积电将一些InFO产品表示为“2D”。）

这两种技术的关键举措是继续扩大最大封装尺寸，以便能够集成更多的芯片（和 HBM 堆栈）。例如，在硅转接板（CoWoS-S）上制造互连层需要“拼接”多个光刻曝光——目标是根据最大光罩尺寸的倍数增加转接板尺寸。

1、CoWoS系列

具体来说，CoWoS已经扩展到提供三种不同的转接板技术（CoWoS中的“晶圆”）：

CoWoS-S

●采用硅中介层，基于现有硅片光刻和再分布层的加工

●自2012年开始批量生产，迄今为止为已向20多家客户提供了>100种产品

●转接板集成了嵌入式“沟槽”电容器

●目前最新的第五代CoWoS-S封装技术，将增加 3 倍的中介层面积、8 个 HBM2e 堆栈（容量高达 128 GB）、全新的硅通孔（TSV）解决方案、厚 CU 互连、第一代的eDTC1100（1100nF/mm²）、以及新的 TIM（Lid 封装）方案。

根据官方的数据，台积电第 5 代 CoWoS-S封装技术，有望将晶体管数量翻至第 3 代封装解决方案的 20 倍。

CoWoS-R

●使用有机转接板以降低成本

●多达 6 个互连的再分布层，2um/2um L/S

●4倍最大光罩尺寸，支持一个 SoC，在 55mmX55mm 封装中具有 2 个 HBM2 堆栈；最新开发中的方案拥有 2.1 倍最大光罩尺寸，支持2 个 SoC 和 2HBM2 采用 85mmX85mm 封装

CoWoS-L

●使用插入有机转接板中的小硅“桥”，用于相邻芯片边缘之间的高密度互连（0.4um/0.4um L/S 间距）

●2023年将会推出拥有2倍最大光罩尺寸大小，支持 2 个 SoC 和 6 个 HBM2 堆栈的方案；2024年将推出4倍最大光罩尺寸，可支持 12 个 HBM3 堆栈的方案。

台积电强调，他们正在与 HBM 标准小组合作，共同制定 CoWoS 实施的 HBM3 互连要求的物理配置。

HBM3 标准似乎已经确定了以下堆栈定义：4GB（带 4 个 8Gb 芯片）到 64GB（16 个 32Gb 芯片）的容量;1024 位信号接口;高达 819GBps 带宽。这些即将推出的具有多个 HBM3 堆栈的 CoWoS 配置将提供巨大的内存容量和带宽。

此外，由于预计即将推出的CoWoS设计将具有更大的功耗，台积电正在研究适当的冷却解决方案，包括改进芯片和封装之间的热界面材料（TIM），以及从空气冷却过渡到浸入式冷却。

2、InFO

在临时载体上精确（面朝下）放置后，芯片被封装在环氧树脂“晶圆”中。再分布互连层被添加到重建的晶圆表面。然后将封装凸块直接连接到再分配层。

有InFO_PoP、InFO_oS和InFO_B拓扑。

InFO_PoP

如下图所示，InFO_PoP表示封装对封装配置，专注于DRAM封装与基本逻辑芯片的集成。DRAM顶部芯片上的凸块利用贯穿InFO过孔（TIV）到达重新分配层。

InFO_PoP主要用于移动平台，自 2016 年以来，InFO_PoP出货量超过 12 亿台。

InFO_PoP存在的一个问题是，目前DRAM封装是定制设计，只能在台积电制造。不过，在开发中的还有另一种InFO_B方案，其中在顶部添加了现有的（LPDDR）DRAM封装，并且组件由外部合同制造商提供。

InFO_oS

InFO_oS（基板上）可以封装多个芯片，再分布层及其微凸起连接到带有TSV的基板。目前，InFO_oS投产已达5年以上，专注于HPC客户。

基板上有 5 个 RDL 层，2um/2um L/S
该基板可实现较大的封装尺寸，目前为110mm X 110mm，并计划实现更大的尺寸
拥有130um C4 凸块间距

InFO_M

InFO_M是InFO_oS的替代方案，具有多个封装芯片和再分布层，无需额外的基板 TSV（<500mm²封装，于2022年下半年投产）。

三、3D 封装

InFO-3D

是一种3D堆叠封装技术，该技术利用垂直集成的微凸块芯片与再分布层和TIF集成，专注于移动平台。

3D SoIC

更先进的垂直芯片堆叠3D拓扑封装系列被称为“系统级集成芯片”（SoIC）。它利用芯片之间的直接铜键合，具有侵略性的间距。

SoIC有两种产品——“wafer-on-wafer”（WOW）和“chip-on-wafer”（COW）。WOW拓扑在晶圆上集成了复杂的SoC芯片，提供深沟槽电容（DTC）结构，以实现最佳去耦。更通用的 COW 拓扑堆叠多个 SoC 芯片。

下表显示了符合SoIC组装条件的工艺制程节点。

3DFabric（包括 3Dblox）的设计支持

如上图3D Fabric的右上角所示，台积电正在设想复杂的3D系统设计级封装实现，结合3D SoIC和2.5D技术。

如上所述，设计流程的复杂性非常大，需要高级热力、计时和SI/PI分析流程（也可以处理模型数据量）。

为了实现这些系统级设计的开发，台积电与EDA供应商合作开展了三项主要的设计流程计划：

●改进的热分析，使用粗粒度加细粒度方法

●分层静态时序分析

单个模具由抽象模型表示，以降低总（多角）数据分析的复杂性

●前端设计分区

为了帮助加速复杂系统的前端设计分区，台积电采取了一项名为“3Dblox”的举措。

目标是将整个物理封装系统分解为模块化组件，然后进行集成。模块类别包括：

bumps/bonds
vias
caps
interposers
die

这些模块将被整合到任何SoIC、CoWoS或InFO封装技术中。

特别值得注意的是，台积电正在努力使3D Fabric设计能够使用各种EDA工具，即使用一个EDA供应商工具完成物理设计，并（可能）使用不同的EDA供应商产品来支持时序分析，信号完整性/功率完整性分析，热分析。

3Dblox似乎将SoC的“参考流”概念提升到一个新的水平，台积电推动了EDA供应商数据模型和格式之间的互操作性。整体3Dblox流量能力将于2022年第三季度推出。（初步步骤，即在InFO上自动路由再分配信号，将是发布的第一个功能。）

显然，台积电正在广泛投资于先进的封装技术开发和（特别是）新的制造设施，因为2.5D和3D配置的预期增长。从 HBM2/2e 到 HBM3 内存堆栈的过渡将为采用 CoWoS 2.5 技术的系统设计带来可观的性能优势。移动平台客户将扩大InFO多芯片设计的多样性。毫无疑问，采用结合3D和2.5D技术的复杂3DFabric设计也将增加，利用台积电“模块化”设计元素以加速系统分区的努力，以及他们为应用广泛的EDA工具/流程所做的努力。

编辑：芯智讯-浪客剑

编译自：

https://semiwiki.com/semiconductor-manufacturers/tsmc/314439-tsmc-2022-technology-symposium-review-advanced-packaging-development/