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AI芯片需求激增,CoWoS技术成焦点,国产崛起引资本涌入?

近期,AI芯片市场的持续升温带动了对高带宽存储(HBM)的强烈需求,同时,HBM与AI芯片的紧密融合,在很大程度上依赖于CoWoS(芯片堆叠在基板上)封装技术的支持。CoWoS 作为封装技术领域的尖端代表,正日益成为全球半导体行业竞争的焦点。与此同时,国产化的CoWoS技术兴起,预计将吸引巨额资本投入这一领域。

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CoWoS 技术:AI 芯片的 “幕后功臣”

CoWoS,即芯片-晶圆-基板封装技术,由台积电研发,是一项具有革命性的封装技术。其核心优势在于,能够在极小的空间内实现多功能芯片的高效集成。这种技术通过异构器件的拼接与堆叠,有效提升了芯片的性能。若HBM(高带宽存储)与AI芯片的融合未采用CoWoS结构,那么HBM在芯片上的布局将难以实现;从英伟达的H100到AMD的MI300,全球顶尖的AI芯片几乎都对此技术有着依赖。

以下为部分采用 HBM 配置的主流 AI 芯片概况:

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CoWoS封装成台积电摇钱树

CoWoS的技术理念与英特尔的Foveros以及学术界所提倡的Hybrid Bonding技术相契合,它们最终均以Chiplet,即芯粒作为成果。然而,其中的核心挑战集中在“CoW”环节,即芯片与晶圆的键合过程。与此相对的是“WoW”技术,即晶圆与晶圆之间的键合方式。

该技术的核心在于,于基板之上增设一层硅质中介层,芯片以覆晶技术的方式,正面向下与中介层相连接,中介层负责芯片之间以及芯片与基板之间的互联任务。鉴于硅中介层是通过芯片级工艺进行生产(例如,初期采用65nm工艺),其布线密度能够降至10μm以下,从而实现芯片的紧密堆叠。

CoWoS是台积电的专利。目前,台积电几乎独占了全球先进AI芯片的CoWoS服务。根据Yole的数据,未来几年,先进封装市场的年复合增长率预计将达到40%,其中3D封装的增长速度将超过100%,并且大约有40%的HBM产品将采用混合键合封装技术,而硅光高速互连技术也将被纳入这一技术体系之中。

台积电透露,2024年CoWoS的产量预计每月可达36000片,然而这一数字仍远远不能满足需求。为此,公司计划在年底将产量提升至每月90000片,并力争在2026年实现每月13万片的产能目标。不仅要增强生产量,同时提升售价,此外还需推进CoWos技术的应用,目标是到2027年,成功获得超大尺寸晶圆上芯片(CoWoS)封装技术的认证,并能够一次性提供涵盖九种不同光罩尺寸的中介层以及12个HBM4内存堆栈。显而易见,CoWos技术已成为台积电的核心技术之一,也是其重要的盈利来源。

2011年,台积电发布CoWoS技术,起初并未赢得客户的喜爱。然而,这项技术的进步,实则得益于华为的认可。华为成为了台积电CoWoS技术的首位用户。根据公开资料,华为在2014年首次采用了这项技术,其海思Hi1616芯片成为了CoWoS工艺的首个应用实例。

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CoWoS产能供应商情况如何?

全球的CoWoS产能供应商大致分为五个类别,然而,能够满足先进计算芯片生产需求的产能却相对稀缺。其核心的制约因素在于高良率问题——封装环节的良率不够理想,这会导致HBM等关键器件的性能损耗,进而直接影响成本和效率。

台积电公司提供全方位的CoWoS服务,目前市场上它是唯一一家既能满足高工艺制程要求,又能确保高生产良率的供应商。

台积电联合第三方封装企业,成功实现了“CoW”技术(晶圆与中介层制造、堆叠互连),而第三方OSAT企业(例如日月光)则负责了“on Substrate”阶段的封装工作。

联电(UMC)与格芯(GF)负责生产中介层,而安靠(Amkor)和日月光等企业则承担了“WoS”(晶圆至基板封装)的后续工作。

三星与英特尔:三星的I-Cube/H-Cube方案以及英特尔的Foveros技术,均能提供完整的CoWoS服务。

国内企业主要采用“CoW+WoS”技术进行对接,例如中芯国际(SMIC)负责生产芯片中介层,而后由国内的OSAT企业负责进行封装。

与其他制造流程相比,CoWoS 并非面临极高的技术挑战,其关键挑战在于如何在极小尺寸的制程中确保产品的高合格率。这主要是因为在封装阶段,如果产品出现较高的不良率或失效情况,那么与之叠加连接的HBM等组件的损失将无法弥补。

目前,在兼顾较高工艺节点与高良率的要求上,唯有台积电具备这样的能力。仅以CoW+WoS的产能为视角,全球范围内(尤其是WoS厂商)具备的产能潜力巨大,然而,真正能够满足先进计算芯片在工艺与良率方面的需求的产能却寥寥无几。

该良率门槛的建立,其根本原因在于工艺技术方面。以 WoS 良率为例,其技术难点主要集中在封装中介层的尺寸控制上——具体来说,硅中介层的面积必须比其上方的2个或更多个die(芯片裸片)的面积大。

然而,中介层尺寸的持续突破界限,例如,CoWoS-5 利用“双向光刻拼接法”技术,成功将介层尺寸扩大至2500mm²,这一数值已接近三倍的曝光极限;而第6代CoWoS的尺寸则更逼近四倍的曝光极限。这种突破也带来了显著的工艺风险,晶圆边缘容易发生扭曲,接角部位易出现垂直凸起,这些问题都可能导致封测完成后出现不良产品。

相较于其他,台积电的CoWoS技术经过十多年的不断优化与技能的累积,已经积累起了丰富的技术精髓,这才使得它现在能够展现出既稳定又卓越的良率水平。

Amkor、日月光等专业的封装厂商(OSAT)在工艺良率提升方面进展不快,其中一个原因是它们与interposer(中介层)制造环节缺乏紧密联系。尽管CoW(晶圆级封装)和WoS(系统级封装)的分工模式与产业链发展逻辑相契合,但要实现两者协同产出的良率共同提升,必须依赖于双方工艺技术的同步进步。

国内的中介层主要由中芯国际(SMIC)生产,之后交由OSAT进行WoS封测;若不能获得中芯国际的中介层产能,可以选择委托联电(UMC)或格芯(GF)进行代工。尽管中芯国际的中介层尚未达到3nm技术节点,但已经能够通过7nm工艺进行替代;而且,中芯国际已经将先进封装业务分离出来,设立了专门的子公司来负责运营。

目前,能够独立完成高工艺节点、高良率全栈式CoWoS技术的企业,仅有台积电、三星以及英特尔三家。

从未来的发展趋势分析,全球范围内的大多数2.5D封装技术很可能会采取前道和后道协同合作的模式。具体来说,前端的晶圆制造企业将负责提供中介层,以完成CoW(晶圆级封装)的相关步骤,而负责封装的后端企业则将利用其载板资源来完成WoS(载板级封装)的环节。此外,CoWoS技术将进一步拓展应用范围,预计未来大多数非移动设备所采用的AI和HPC产品,都将采用CoWoS进行封装。在2.5D/3D封装领域,当前晶圆厂相较于OSAT厂商,仍保持着显著的优势。

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国产大力推类CoWoS封装

台积电拥有CoWoS这一品牌,然而,国内厂商也在积极研发与之相关的先进封装技术。近年来,AI芯片的兴起使得台积电的CoWoS封装技术备受瞩目。面对这一情况,国内厂商也在积极推动类似CoWoS的封装技术发展,并扩大产能。

在我国CoWoS封装领域,主要的核心企业有盛合晶微和通富微电,这两家公司在技术部署和业务焦点上有着不同的侧重点,并且它们也共同遭遇了该行业的普遍挑战。

盛合晶微:国内先进封装绝对龙头

华为合作体系中的关键合作伙伴,盛合晶微负责华为昇腾和鲲鹏芯片的高级封装工作。该公司起源于中芯国际与长电科技共同培育的中芯长电,技术基础扎实,被誉为“国家重器”—— 它不仅是国内唯一实现2.5D芯片量产的企业,而且在12英寸凸块加工产能、WLCSP市场份额、独立晶圆测试收入规模等方面,均位居大陆首位。

从产业地位的角度来看,盛合晶微在早年曾与长电科技、中芯国际建立了合作关系,工厂的身份得以确立。而现在,它已经转变为以华为主导的合作格局,致力于Chiplet封装以及前道中介层生产的业务。业绩显著突出:根据 Yole 的数据,2023 年该公司的收入增长在全球封测领域位居首位;2022 年的收入达到了2.7亿美元,同比增长了17%;2024年更是获得了超过50亿元的融资,这笔资金将用于推进三维多芯片集成技术的快速发展。目前,公司已完成IPO辅导验收,即将上市,预计将吸引千亿级别的资本投入到先进封装领域。

通富微电:聚焦国内市场,海外合作存波折

通富微电在全球范围内拥有生产基地,并在国内外同步开展Chiplet封装和前道中介层的生产业务,其业务核心定位在于满足国内市场的需求。

在海外合作方面,先前市场流传着“AMD 将 MI300 的 CoWoS 封装任务委托给了通富微电”的消息,但后来被证实是误传。事实上,AMD 之前考虑过将 bumping 封装工艺交给通富微电位于槟城的工厂来执行,然而,这一合作并未最终实现。

目前,盛合晶微和通富微电在CoWoS封装阶段遭遇了良率问题。鉴于高端封装技术的复杂性较高,良率的提高需要逐步进行,这成为了他们目前亟待解决的关键问题。

除了上述头部企业之外,众多拥有技术积累的封装企业亦正踊跃地参与到高端封装领域,其中甬矽电子堪称一个鲜明的例子。

甬矽电子在互动平台上对投资者的询问作出回应,指出公司已经成功实现了2.5D封装技术的量产,这一技术在其工艺流程和设备应用上,与高带宽存储芯片(HBM)的封装技术存在某些相似之处和相互联系。该技术共性主要表现在硅中介层的制造、微凸点焊接工艺、精确的定位以及高密度互连技术的关键步骤上。因此,甬矽电子在封装制造领域拥有了丰厚的经验以及显著的技术优势,这为其未来进军HBM封装市场打下了坚实的根基。

然而,甬矽电子明确表示,公司是否将涉足HBM封装领域,关键在于与存储芯片厂商在商业合作机会及战略契合度上的把握。HBM封装技术,因其复杂性和技术要求之高,不仅需要技术层面的兼容与更新,还需在产业链协同、客户需求满足以及市场趋势引导等方面达到深度结合。因此,在甬矽电子计划扩大HBM封装业务领域时,公司会全面考量自身的科技沉淀和制造能力,同时兼顾存储设备制造商的具体需求以及合作意愿,力求在商业运营模式上找到最适宜的匹配方案。

除此之外,人工智能、云计算、大数据等技术的迅猛进步,使得市场对高性能和高带宽的存储解决方案的需求持续上升。HBM作为重要的存储技术之一,展现出巨大的发展潜力和广阔的市场机遇。若甬矽电子能够把握住这一良机,依托公司现有的2.5D封装技术根基,主动投身于HBM封装产业链,那么公司有望在先进封装领域的市场竞争力和技术影响力上实现新的飞跃。

总体而言,甬矽电子在2.5D封装技术方面拥有深厚积累和设备上的优势,这使其在HBM封装市场拓展上具有相当潜力。然而,在具体业务拓展过程中,必须根据市场状况、技术进步以及合作伙伴的战略布局,进行灵活的调整。

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