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先進封裝中介層，正在起變化

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先進封裝中介層，正在起變化

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先進封裝中介層，正在起變化



在半導體產業深度變革的關鍵階段 ， 摩爾定律傳統驅動力逐漸減弱 ， 先進制程節點成本持續走高 ， 單一芯片性能提升難以僅依靠晶體管尺寸縮小實現突破 。 而人工智能（AI）、高性能計算（HPC）、5G通信、云數據中心及消費電子等領域 ， 對計算能力、功耗效率和集成度的需求不斷升級 ， 在此背景下 ， 先進封裝技術成為突破性能瓶頸、推動行業持續增長的核心路徑 。 其中中介層技術的發展與革新更是關鍵所在 。
01什么是先進封裝的中介層
在人工智能時代 ， 先進封裝從芯片制造流程中“后續需考慮的環節”躍升為提升功耗、性能、面積及成本效率的核心要素 。 再布線層（RDL）作為實現這些提升的重要手段 ， 雖未在所有人工智能封裝中應用 ， 但在扇出型晶圓級封裝（FoWLP）、CoWoS設計以及嵌入式晶圓級球柵陣列（eWLB）中均有廣泛應用 。
RDL主要通過兩種方式集成到封裝中 。 一種是依托硅等載體 ， 在硅載體方案里 ， RDL可根據應用需求置于硅的頂部或底部 ， 硅起到承載RDL的作用；另一種則完全舍棄載體 ， 直接單獨使用RDL 。 通常 ， 這些載體（若無載體則指RDL本身）被稱為“中介層（interposer）” 。
【先進封裝中介層，正在起變化】
一種典型異構集成2.5D封裝結構
當前主流的2.5D封裝結構中 ， 多種技術方案均圍繞中介層展開：
CoWoS技術作為最典型的2.5D封裝結構 ， 由臺積電率先提出 。 該技術先通過CoW封裝工藝將芯片連接至硅晶圓 ， 再將CoW芯片與基板連接 ， 最終整合為CoWoS 。 經過發展 ， CoWoS技術已衍生出多種形式 ， 包括以硅為中介層的CoWoS-S、以RDL為中介層的CoWoS-R ， 以及由芯粒和RDL構成硅橋作為中介層的CoWoS-L 。
EMIB（嵌入式多芯片互連橋）技術是由英特爾（Intel）提出的另一種2.5D封裝技術 。 與其他技術不同 ， EMIB不采用常見的大型硅中介層 ， 而是運用具有多個布線層的小型橋接芯片實現芯片間的連接 。
I-Cube技術是三星半導體推出的2.5D封裝技術 ， 通過在中介層上水平放置多個邏輯裸片（如CPU、GPU）和HBM裸片 ， 實現異構集成 ， 讓多個裸片在一個封裝內如同單個芯片般協同工作 。 根據中介層的不同 ， 可分I-CubeS和I-CubeE兩種 ， 分別對標臺積電的CoWoS-S和CoWoS-L 。 I-CubeSc采用硅中介層 。 I-CubeE無TSV結構 ， 采用嵌入式硅橋 。

在工藝層面 ， 中介層通常以硅片為載體（也有對玻璃、陶瓷等材料的嘗試） ， 在載體上加工精細的布線和通孔（TSV ， 硅通孔） ， 從而實現不同芯片間高帶寬、低延遲的連接 。 簡單來說 ， 中介層就像一塊超高密度的電路轉接板 ， 將多顆芯片“拼接”在一起 ， 再統一與外部的封裝基板連接 。
相較于無中介層的傳統封裝 ， 加入中介層具有重要意義：一方面 ， 大幅縮短多芯片間的信號走線 ， 顯著降低功耗與延遲 ， 同時提升帶寬；另一方面 ， 能夠靈活組合不同工藝、不同功能的芯片 ， 例如邏輯芯片與存儲芯片無需在同一工藝廠制造 ， 也不必制成單片SoC ， 就能在封裝層面實現“異構集成” 。
02中介層有了新選擇
在AI芯片中 ， RDL的核心作用是實現HBM堆疊與xPU之間的通信 ， 并通過縮小線寬/線距提高互連密度 。 基于這一目標 ， 不同的RDL應用方式及各類中介層技術通過差異化路徑實現功能 。 目前2.5D封裝中介層結構主要包括再布線層（RDL）、嵌入式互連橋、硅中介層、玻璃中介層、陶瓷中介層等 ， 其中硅中介層是當前主流方案 ， 但各類新型中介層技術正不斷崛起 。
主流硅中介層：成熟與局限并存
臺積電最早提出硅中介層方案 ， 并借助CoWoS工藝實現量產 ， 2012年為賽靈思生產的Virtex-7 FPGA成為該技術首個大規模應用案例 。 硅中介層的核心優勢在于工藝成熟 ， 可實現亞10μm的超細布線與多層TSV結構 ， 能完美適配高性能計算（HPC）對高密度互連的需求 ， 目前已在生產中大量應用 。
然而 ， 硅中介層的短板也十分突出：其一 ， 成本高昂 ， “圓切方”的幾何損耗隨面積增大而急劇上升 ， 良率控制難度較大；其二 ， 存在散熱瓶頸 ， 當AI芯片功率突破千瓦級時 ， 硅約150-160 W/m?k的熱導率難以滿足散熱需求；其三 ， 在高頻條件下 ， 信號串擾和插損問題顯著 ， 導致可靠性下降 ， 較高的價格也限制了其應用范圍 。
為破解硅中介層的成本困境 ， 有機中介層（亦稱RDL再布線層）在2010年代中期隨Fan-Out封裝興起 。 該技術采用面板級生產（PLP）模式 ， 大幅提高了產能利用率 ， 材料與設備成本顯著降低 ， 且布線層數可靈活定制 ， 成為大規模AI訓練芯片的經濟之選 。 但受限于有機材料特性 ， 其布線精細度不足（線寬/線距較大） ， 難以支撐對性能有極致要求的場景 。
有機中介層：成本優勢下的性能妥協
玻璃中介層具備獨特優勢 ， 能夠支持嵌入基板的芯粒與直接堆疊于頂部的芯粒（chiplets）之間的3D堆疊 ， 這是硅中介層無法實現的功能 。 實驗數據顯示 ， 與硅中介層相比 ， 玻璃中介層可實現2.6倍的面積優化、21倍的線長縮短 ， 全芯片功耗降低17.72% ， 信號完整性提升64.7% ， 電源完整性改善10倍 ， 不過其在工作過程中溫度會升高15% 。
玻璃中介層：突破3D堆疊與性能優化
玻璃中介層具備獨特優勢 ， 能夠支持嵌入基板的芯粒與直接堆疊于頂部的芯粒（chiplets）之間的3D堆疊 ， 這是硅中介層無法實現的功能 。 實驗數據顯示 ， 與硅中介層相比 ， 玻璃中介層可實現2.6倍的面積優化、21倍的線長縮短 ， 全芯片功耗降低17.72% ， 信號完整性提升64.7% ， 電源完整性改善10倍 ， 不過其在工作過程中溫度會升高15% 。
此外 ， 玻璃中介層還存在創新應用方向 ， 如實現玻璃中介層和封裝載板二合一 ， 讓Die直接上基板形成極簡結構 。 更有甚者 ， AI設計公司與先進封裝廠在對玻璃中介層與玻璃基板的封測成品論證后 ， 發現有機PCB的熱膨脹系數（CTE）與玻璃復合體不匹配 ， 計劃嘗試用玻璃PCB替代有機PCB ， 或整合相關結構在其上堆疊各類小芯片 。
陶瓷中介層：性能優異但量產受限
陶瓷中介層采用AlN和Al?O?等陶瓷材料 ， 擁有優良的絕緣性和機械性能 ， 其中AlN陶瓷還具備低熱膨脹系數、高電阻和高導熱性等優勢 。 但陶瓷材料加工需采用靜壓粉末壓制工藝 ， 不僅成本高昂 ， 加工效率也很低 ， 難以實現大規模生產 ， 限制了其在產業中的廣泛應用 。
碳化硅（SiC）中介層：AI高功耗場景下的新突破
2025年以來 ， 碳化硅（SiC）中介層憑借顛覆性優勢成為行業焦點 ， 其發展的核心驅動力源于AI芯片功率的急劇飆升 。 英偉達計劃推出的Rubin Ultra處理器功率將達3600W ， 傳統硅中介層已觸及散熱極限 ， 而SiC中介層的材料特性恰好能滿足高功耗場景需求 。
當前AI芯片功耗隨算力提升持續突破上限 ， 英偉達H100 GPU功耗已達700W ， 下一代Rubin處理器預計突破1000W ， 傳統硅中介層的性能瓶頸愈發凸顯——熱導率僅 150W/mK ， 熱膨脹系數（4.2ppm/℃）與芯片材料適配性不足 ， 導致散熱效率低下 ， 直接造成芯片性能降頻、可靠性下降 。
SiC中介層的優勢十分顯著：熱導率達 490W/mK（是硅的3倍以上） ， 熱膨脹系數（4.3ppm/℃）與芯片材料高度契合 ， 既能高效散熱 ， 又能保障封裝穩定性 。 實測數據顯示 ， 采用SiC中介層后 ， H100芯片工作溫度可從95℃降至75℃ ， 散熱成本降低30% ， 芯片壽命延長2倍；同時 ， SiC支持高深寬比通孔設計 ， 可使互連距離縮短50% ， 數據傳輸速度提升20% ， 相當于為AI芯片搭建了“高速數據通道” 。
SiC中介層的技術突破主要體現在三個方面：一是熱導率達490W/m?k ， 為硅的2-3倍 ， 可大幅縮小散熱片尺寸 ， 優化封裝體積；二是單晶SiC耐化學性強 ， 可通過濕法刻蝕制備深寬比109:1的非直線通孔 ， 遠超傳統硅中介層17:1的上限 ， 實現更短互連長度與更高集成度 。 不過就目前情況而言 ， 使用橋接芯片和硅中介層在技術復雜度和成本控制上仍可能是更簡單的解決方案 。
不過就目前情況而言 ， 使用橋接芯片和硅中介層仍可能是更簡單的解決方案 。
03全球大廠的新中介層材料布局
面對中介層材料的技術變革 ， 全球半導體巨頭紛紛展開全方位布局 ， 形成“技術研發+生態共建+產能儲備”的競爭態勢 ， 旨在搶占先進封裝中介層技術的制高點 。
在玻璃中介層領域 ， 三星電子已明確計劃 ， 將于2028年將玻璃基板引入先進半導體封裝領域 ， 核心舉措是用“玻璃中介層”取代“硅中介層” ， 這也是三星電子玻璃基板路線圖首次被公開確認 。 據知情人士透露：“三星電子已制定詳細計劃 ， 2028年將硅中介層轉換為玻璃中介層 ， 以更好地滿足客戶需求 。 ”
三星電子正與供應鏈企業展開商談 ， 計劃在根據芯片尺寸定制的“單元”中應用玻璃中介層 ， 而非傳統的玻璃基板 。 通常 ， 玻璃基板原始尺寸為510×515mm ， 需切割成適合芯片的尺寸 ， 英特爾、Absolix等公司正以這種方式生產原型產品 。 與之不同的是 ， 三星電子選擇在100×100mm以下的玻璃上開展相關工藝 。 業內人士分析 ， 這一策略主要是為了加快技術實施和樣機生產速度 ， 從而快速進入市場 ， 但從實際量產角度來看 ， 較小的尺寸可能會導致生產率降低 。
此外 ， 三星電子還制定了配套計劃 ， 將外包公司提供的玻璃中介層與天安園區生產的半導體進行封裝整合 ， 并計劃利用已建成的面板級封裝（PLP）生產線 。 PLP是一種替代在圓形晶圓上進行封裝的晶圓級封裝（WLP）技術 ， 通過在方形面板上進行封裝 ， 具有生產率高、適合玻璃基板工藝的優勢 ， 為玻璃中介層的規?；瘧锰峁┝斯に囍?。
作為CoWoS封裝技術的主導者 ， 臺積電采取雙軌并行的策略布局中介層技術 。 一方面 ， 通過持續的技術升級延續硅中介層的優勢 ， 2025年已實現3.5倍光罩尺寸的CoWoS-L封裝量產 ， 未來還將推出7倍光罩尺寸的方案 ， 有效緩解大尺寸中介層的成本壓力 ， 進一步鞏固在硅中介層應用領域的領先地位 。
另一方面 ， 臺積電積極牽頭碳化硅（SiC）中介層的研發工作 ， 已邀請全球多家廠商組建技術聯盟 ， 并聯合日本DISCO公司開發適配SiC的激光切割設備 ， 明確目標在2027年前實現SiC中介層的量產落地 ， 為應對AI芯片高功耗需求做好技術與產能儲備 。
英偉達也是碳化硅（SiC）中介層技術的核心推動者 ， 其新一代Rubin處理器已明確將硅中介層替換為SiC ， 并計劃在2027年前完成技術導入 。 這一舉措不僅是為了解決自身AI芯片的散熱瓶頸 ， 更將對整個半導體供應鏈格局產生深遠影響 。
據摩根士丹利預測 ， 2026年全球CoWoS 封裝月產能將達到11.2萬片 ， 若SiC中介層滲透率逐步提升 ， 12英寸SiC晶圓的年需求量或將達到26萬片 ， 這將催生全新的市場空間 ， 帶動SiC材料、加工設備等相關產業鏈環節的發展 。
日本半導體材料制造商Resonac宣布成立由27家全球企業組成的聯盟“JOINT3” ， 核心目標是共同開發先進的芯片封裝技術 。 該聯盟成員涵蓋美國、日本、新加坡等多個國家的材料制造商、設備供應商與芯片設計公司 ， 如應用材料、東京威力科創等行業知名企業 。
Resonac在聲明中表示 ， 聯盟將整合各方資源 ， 共同開發用于制作以有機材料方形基板打造的中介層（interposers）所需的材料、設備與設計工具 ， 并計劃利用515×510mm的基板作為評估試作產線 ， 推動有機材料中介層技術的研發與產業化進程 ， 為中介層技術發展提供更多創新選擇 。
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