12吋晶圓快撐不住!台積電秘密武器CoPoS曝光,AI封裝大改版「這些台廠」先受惠

隨著AI算力需求狂飆,晶片面積不斷放大,傳統12吋晶圓封裝逐步逼近極限,台積電CoPoS浮上檯面,成為產業高度關注的下一世代解決方案。魏鑫陽攝
隨著AI算力需求狂飆,晶片面積不斷放大,傳統12吋晶圓封裝逐步逼近極限,台積電CoPoS浮上檯面,成為產業高度關注的下一世代解決方案。魏鑫陽攝

隨著AI算力需求狂飆,晶片面積不斷放大,傳統12吋晶圓封裝逐步逼近極限,台積電CoPoS浮上檯面,成為產業高度關注的下一世代解決方案。同時,這場從「圓」走向「方」的轉變,也將帶來製程、設備與材料體系的全面重構,相關供應鏈迎接新一波需求浪潮。

文/吳旻蓁

近年來,隨著摩爾定律逐漸走到極限,半導體產業的發展重心也逐步從單純的奈米製程微縮,朝向先進封裝技術的突破。而隨著雲端服務供應商對大型語言模型的訓練需求不斷升級,AI加速器晶片的設計趨勢,不可逆地朝向整合更多的運算核心與更高容量的高頻寬記憶體(HBM)發展。在這樣的架構演進之下,單一晶片的效能提升已逐漸受限,如何在封裝層級實現高密度互連與系統整合,成為推動運算能力持續擴展的關鍵。

在這樣的背景下,CoWoS(Chip-on-Wafer-on-Substrate)成為目前最具代表性的先進封裝技術之一。從結構上來看,CoWoS可拆解為兩個關鍵階段,首先是CoW(Chip-on-Wafer),即將多顆晶片(如GPU/HBM)以微凸塊(micro-bump)方式貼裝於矽中介層(silicon interposer)之上;其次是WoS(Wafer-on-Substrate),即將完成互連的整體晶圓結構再貼裝至封裝基板(通常為ABF)。透過這樣的分層整合方式,CoWoS能在矽中介層上實現遠高於傳統基板的佈線密度,使邏輯晶片與記憶體之間可建立大量且高速的訊號通道。

封裝技術大轉彎!從圓形晶圓走向方形面板

這種架構的核心價值,在於將原本受限於單一晶片尺寸與I/O數量的系統,透過中介層整合為一個高頻寬、低延遲的模組。特別是在AI與高效能運算應用中,HBM與運算晶片之間往往需要數千條以上的訊號連接,CoWoS所提供的高密度RDL能力,使其成為目前最成熟且已大規模量產的解決方案。然而,這樣的設計也伴隨著結構性的限制。首先,矽中介層受限於晶圓尺寸與光罩大小,使得封裝面積的擴展能力有限。其次,矽製程本身的成本與產能瓶頸,在AI需求快速成長的背景下愈發凸顯。此外,ABF基板的供應與尺寸限制,也進一步壓縮了整體封裝系統的擴展空間。

在這樣的技術與產業壓力下,CoPoS(Chip-on-Panel-on-Substrate)應運而生,並被視為先進封裝架構的一個重要演化方向。其最關鍵的變化在於製程平台的轉移,即由傳統以圓形晶圓為核心的製造體系,轉向以方形面板為基礎的封裝方式。將中介層改為方形面板RDL的核心優勢,在於其可顯著放大單次製程的處理面積。相較於300毫米(mm)的晶圓,目前面板RDL主要研發尺寸包括310×310毫米、515×510毫米或750×620毫米等3大規格,使單一批次可同時製作更多封裝單元,從而降低單位成本。

也就是說,方形面板在排版上的利用率較高,可從圓形的65%利用面積,跳升至方形的95%,有效減少邊緣浪費,對於大尺寸AI晶片尤其有利。以NVIDIA B200晶片為例,12吋圓形晶圓僅能封裝4組,但若改在同尺寸的方形面板上,保守估計可封裝9至16組。若以510×515毫米的方形面板為例,其可放置空間是12吋晶圓的4.5倍;若採用600×600毫米面板則為6倍,700×700毫米更可達8倍之多。

CoPoS關鍵突破!互連密度與製程精度成勝負手

從技術角度來看,CoPoS並非簡單地將既有CoWoS製程放大至面板尺寸。其關鍵挑戰之一,在於如何以面板級RDL取代矽中介層所提供的高密度互連能力。在CoWoS中,矽中介層可實現約5~8μm等級的線寬與線距,而目前面板級製程多落在8到15μm,仍存在一定差距。這種差異直接影響I/O密度與訊號傳輸性能,特別是在HBM與邏輯晶片之間需要大量高速通道的情境下更為明顯。因此,CoPoS的發展關鍵,在於持續推進面板RDL的細線化能力,並透過設計優化彌補密度上的不足。

AI產能解方浮現!CoPoS有望突破封裝瓶頸

除了互連密度之外,製程精度與材料穩定性也是面板級封裝的重要挑戰。面板多採用有機材料,其熱膨脹係數高於矽,在多層製程與溫度循環中容易產生翹曲(warpage)。當面板尺寸增加時,這種變形效應會進一步放大,影響曝光對位精度,進而限制最小線寬與通孔尺寸。相較之下,晶圓製程在對位控制與材料穩定性方面已高度成熟。因此,CoPoS的實現需要仰賴高精度面板曝光設備、低CTE材料,以及更嚴格的製程控制技術。 (相關報導: 不是工程師!台積電1工作「年薪破150萬」高中職畢業就能進,無經驗可、不限年齡科系 更多文章

文章授權自《先探投資週刊2403期》

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