先辈封装中介层，正在起变化

[db:作者]

文 | 半导体产业纵横，作者 | 鹏程
在半导体产业深度变化的关键阶段，摩尔定律传统驱动力逐步削弱，先辈制程节点本钱延续走高，单一芯片性能提升难以仅依靠晶体管尺寸缩小实现冲破。而野生智能（AI）、高性能计较（HPC）、5G通讯、云数据中心及消耗电子等范畴，对计较才能、功耗效力和集成度的需求不竭升级，在此布景下，先辈封装技术成为冲破性能瓶颈、鞭策行业延续增加的焦点途径。其中中介层技术的成长与革新更是关键地点。
什么是先辈封装的中介层在野生智能时代，先辈封装从芯片制造流程中“后续需斟酌的环节”跃升为提升功耗、性能、面积及本钱效力的焦点要素。再布线层（RDL）作为实现这些提升的重要手段，虽未在一切野生智能封装中利用，但在扇出型晶圆级封装（FoWLP）、CoWoS设想以及嵌入式晶圆级球栅阵列（eWLB）中均有普遍利用。
RDL首要经过两种方式集成到封装中。一种是依托硅等载体，在硅载体计划里，RDL可按照利用需求置于硅的顶部或底部，硅起到承载RDL的感化；另一种则完全舍弃载体，间接零丁利用RDL。凡是，这些载体（若无载体则指RDL自己）被称为“中介层（interposer）”。

一种典型异构集成2.5D封装结构
当前支流的2.5D封装结构中，多种技术计划均围绕中介层展开：
CoWoS技术作为最典型的2.5D封装结构，由台积电率先提出。该技术先经过CoW封装工艺将芯片毗连至硅晶圆，再将CoW芯片与基板毗连，终极整合为CoWoS。经过成长，CoWoS技术已衍生出多种形式，包括以硅为中介层的CoWoS-S、以RDL为中介层的CoWoS-R，以及由芯粒和RDL组成硅桥作为中介层的CoWoS-L。
EMIB（嵌入式多芯片互连桥）技术是由英特尔（Intel）提出的另一种2.5D封装技术。与其他技术分歧，EMIB不采用常见的大型硅中介层，而是应用具有多个布线层的小型桥接芯片实现芯片间的毗连。
I-Cube技术是三星半导体推出的2.5D封装技术，经过在中介层下水平放置多个逻辑裸片（如CPU、GPU）和HBM裸片，实现异构集成，让多个裸片在一个封装内如同单个芯片般协同工作。按照中介层的分歧，可分I-CubeS和I-CubeE两种，别离对标台积电的CoWoS-S和CoWoS-L。I-CubeSc采用硅中介层。I-CubeE无TSV结构，采用嵌入式硅桥。

在工艺层面，中介层凡是以硅片为载体（也有对玻璃、陶瓷等材料的尝试），在载体上加工邃密的布线和通孔（TSV，硅通孔），从而实现分歧芯片间高带宽、低提早的毗连。简单来说，中介层就像一块超高密度的电路转接板，将多颗芯片“拼接”在一路，再同一与内部的封装基板毗连。
相较于无中介层的传统封装，加入中介层具有重要意义：一方面，大幅收缩多芯片间的信号走线，明显下降功耗与提早，同时提升带宽；另一方面，可以灵活组合分歧工艺、分歧功用的芯片，例如逻辑芯片与存储芯片无需在同一工艺厂制造，也不必制成单片SoC，就能在封装层面实现“异构集成”。
中介层有了新挑选在AI芯片中，RDL的焦点感化是实现HBM堆叠与xPU之间的通讯，并经过缩小线宽/线距进步互连密度。基于这一方针，分歧的RDL利用方式及各类中介层技术经过差别化途径实现功用。今朝2.5D封装中介层结构首要包括再布线层（RDL）、嵌入式互连桥、硅中介层、玻璃中介层、陶瓷中介层等，其中硅中介层是当前支流计划，但各类新型中介层技术正不竭突起。
支流硅中介层：成熟与范围并存
台积电最早提出硅中介层计划，并借助CoWoS工艺实现量产，2012年为赛灵思生产的Virtex-7 FPGA成为该技术首个大范围利用案例。硅中介层的焦点上风在于工艺成熟，可实现亚10μm的超粗布线与多层TSV结构，能完善适配高性能计较（HPC）对高密度互连的需求，今朝已在生产中大量利用。
但是，硅中介层的短板也非常突出：其一，本钱高昂，“圆切方”的多少消耗随面积增大而急剧上升，良率控制难度较大；其二，存在散热瓶颈，当AI芯片功率冲破千瓦级时，硅约150-160 W/m・k的热导率难以满足散热需求；其三，在高频条件下，信号串扰和插损题目明显，致使牢靠性下降，较高的价格也限制了其利用范围。
为破解硅中介层的本钱窘境，有机中介层（亦称RDL再布线层）在2010年月中期随Fan-Out封装兴起。该技术采用面板级生产（PLP）形式，大幅进步了产能操纵率，材料与装备本钱明显下降，且布线层数可灵活定制，成为大范围AI练习芯片的经济之选。但受限于有机材料特征，其布线邃密度不敷（线宽/线距较大），难以支持对性能有极致要求的场景。
有机中介层：本钱上风下的性能妥协
玻璃中介层具有怪异上风，可以支持嵌入基板的芯粒与间接堆叠于顶部的芯粒（chiplets）之间的3D堆叠，这是硅中介层没法实现的功用。尝试数据显现，与硅中介层相比，玻璃中介层可实现2.6倍的面积优化、21倍的线长收缩，全芯片功耗下降17.72%，信号完整性提升64.7%，电源完整性改良10倍，不外其在工作进程中温度会升高15%。
玻璃中介层：冲破3D堆叠与性能优化
玻璃中介层具有怪异上风，可以支持嵌入基板的芯粒与间接堆叠于顶部的芯粒（chiplets）之间的3D堆叠，这是硅中介层没法实现的功用。尝试数据显现，与硅中介层相比，玻璃中介层可实现2.6倍的面积优化、21倍的线长收缩，全芯片功耗下降17.72%，信号完整性提升64.7%，电源完整性改良10倍，不外其在工作进程中温度会升高15%。
此外，玻璃中介层还存在创新利用偏向，照实现玻璃中介层和封装载板二合一，让Die间接上基板构成极简结构。更有甚者，AI设想公司与先辈封装厂在对玻璃中介层与玻璃基板的封测制品论证后，发现有机PCB的热收缩系数（CTE）与玻璃复合体不婚配，计划尝试用玻璃PCB替换有机PCB，或整合相关结构在其上堆叠各类小芯片。
陶瓷中介层：性能优异但量产受限
陶瓷中介层采用AlN和Al₂O₃等陶瓷材料，具有良好的绝缘性和机械性能，其中AlN陶瓷还具有低热收缩系数、高电阻和高导热性等上风。但陶瓷材料加工需采用静压粉末压制工艺，不但本钱高昂，加工效力也很低，难以实现大范围生产，限制了其在产业中的普遍利用。
碳化硅（SiC）中介层：AI高功耗场景下的新冲破
2025年以来，碳化硅（SiC）中介层凭仗倾覆性上风成为行业焦点，其成长的焦点驱动力源于AI芯片功率的急剧飙升。英伟达计划推出的Rubin Ultra处置器功率将达3600W，传统硅中介层已触及散热极限，而SiC中介层的材料特征恰好能满足高功耗场景需求。
当前AI芯片功耗随算力提升延续冲破上限，英伟达H100 GPU功耗已达700W，下一代Rubin处置器估计冲破1000W，传统硅中介层的性能瓶颈愈发凸显——热导率仅 150W/mK，热收缩系数（4.2ppm/℃）与芯片材料适配性不敷，致使散热效力低下，间接形成芯片性能降频、牢靠性下降。
SiC中介层的上风十清楚显：热导率达 490W/mK（是硅的3倍以上），热收缩系数（4.3ppm/℃）与芯片材料高度符合，既能高效散热，又能保障封装稳定性。实测数据显现，采用SiC中介层后，H100芯片工作温度可从95℃降至75℃，散热本钱下降30%，芯片寿命耽误2倍；同时，SiC支持高深宽比通孔设想，可使互连间隔收缩50%，数据传输速度提升20%，相当于为AI芯片搭建了“高速数据通道”。
SiC中介层的技术冲破首要表现在三个方面：一是热导率达490W/m・k，为硅的2-3倍，可大幅缩小散热片尺寸，优化封装体积；二是单晶SiC耐化学性强，可经过湿法刻蚀制备深宽比109:1的非直线通孔，远超传统硅中介层17:1的上限，实现更短互连长度与更高集成度。不外就今朝情况而言，利用桥接芯片和硅中介层在技术复杂度和本钱控制上仍能够是更简单的处理计划。
不外就今朝情况而言，利用桥接芯片和硅中介层仍能够是更简单的处理计划。
全球大厂的新中介层材料结构面临中介层材料的技术变化，全球半导体巨头纷纷展开全方位结构，构成“技术研发+生态共建+产能储备”的合作态势，旨在抢占先辈封装中介层技术的制高点。
在玻璃中介层范畴，三星电子已明白计划，将于2028年将玻璃基板引入先辈半导体封装范畴，焦点行动是用“玻璃中介层”取代“硅中介层”，这也是三星电子玻璃基板线路图初次被公然确认。据知情人士流露：“三星电子已制定具体计划，2028年将硅中介层转换为玻璃中介层，以更好地满足客户需求。”
三星电子正与供给链企业展开商谈，计划在按照芯片尺寸定制的“单元”中利用玻璃中介层，而非传统的玻璃基板。凡是，玻璃基板原始尺寸为510×515mm，需切割成合适芯片的尺寸，英特尔、Absolix等公司正以这类方式生产原型产物。与之分歧的是，三星电子挑选在100×100mm以下的玻璃上展开相关工艺。业内助士分析，这一战略主如果为了加速技术实施和样机生产速度，从而快速进入市场，但从现实量产角度来看，较小的尺寸能够会致使生产率下降。
此外，三星电子还制定了配套计划，将外包公司供给的玻璃中介层与天安园区生产的半导体停止封装整合，并计划操纵已建成的面板级封装（PLP）生产线。PLP是一种替换在圆形晶圆上停止封装的晶圆级封装（WLP）技术，经过在方形面板上停止封装，具有生产率高、合适玻璃基板工艺的上风，为玻璃中介层的范围化利用供给了工艺支持。
作为CoWoS封装技术的主导者，台积电采纳双轨并行的战略结构中介层技术。一方面，经过延续的技术升级延续硅中介层的上风，2025年已实现3.5倍光罩尺寸的CoWoS-L封装量产，未来还将推出7倍光罩尺寸的计划，有用减缓大尺寸中介层的本钱压力，进一步稳固在硅中介层利用范畴的领先职位。
另一方面，台积电积极牵头碳化硅（SiC）中介层的研发工作，已约请全球多家厂商组建技术同盟，并结合日本DISCO公司开辟适配SiC的激光切割装备，明白方针在2027年前实现SiC中介层的量产落地，为应对AI芯片高功耗需求做好技术与产能储备。
英伟达也是碳化硅（SiC）中介层技术的焦点鞭策者，其新一代Rubin处置器已明白将硅中介层替换为SiC，并计划在2027年前完成技术导入。这一行动不可是为领会决本身AI芯片的散热瓶颈，更将对全部半导体供给链格式发生深远影响。
据摩根士丹利猜测，2026年全球CoWoS 封装月产能将到达11.2万片，若SiC中介层渗透率慢慢提升，12英寸SiC晶圆的年需求量或将到达26万片，这将催生全新的市场空间，带动SiC材料、加工装备等相关产业链环节的成长。
日本半导体材料制造商Resonac公布建立由27家全球企业组成的同盟“JOINT3”，焦点方针是配合开辟先辈的芯片封装技术。该同盟成员涵盖美国、日本、新加坡等多个国家的材料制造商、装备供给商与芯片设想公司，如利用材料、东京能力科创等行业著名企业。
Resonac在声明中暗示，同盟将整合各方资本，配合开辟用于建造以有机材料方形基板打造的中介层（interposers）所需的材料、装备与设想工具，并计划操纵515×510mm的基板作为评价试作产线，鞭策有机材料中介层技术的研发与产业化进程，为中介层技术成长供给更多创新挑选。