先進封裝的岔路口
人們對大型語言模型（LLM）的熱情高漲，正推動著人工智慧規模資料中心的爆炸式增長。新建的資料中心和規劃中的資料中心似乎如雨後春筍般湧現。伴隨這種建設熱潮而來的是巨大的壓力，人們需要更高的計算能力、更低的單次推理能耗以及更高的機架級可靠性。
能夠提供如此高性能的伺服器主機板依賴於GPU、AI加速器和CPU。這些裝置已經從單個單晶片發展成為採用先進封裝技術組裝的多晶片系統。如今，催生多晶片系統的壓力也正促使這些元件變得更大、更熱、更複雜。
對於這些系統級封裝 (SiP) 而言，資料中心營運商所關心的性能特徵（頻寬、延遲、功耗和可靠性）越來越不是由晶片本身決定，而是由承載、互連和冷卻晶片的先進封裝技術決定。
這種壓力迫使先進封裝技術拿出可信的路線圖，以支援更多的晶片、更高的速度，並持續控制熱問題和機械問題。
岔路口
隨著路線圖逐漸清晰，我們越來越清楚地認識到，通往更強大未來的道路並非只有一條。相反，我們正面臨一個岔路口，前方有幾條截然不同的分支。每條分支都有其自身的優勢和劣勢。每條分支都會影響系統劃分以及後續GPU、加速器和CPU的供應鏈。系統設計人員必須瞭解各種選擇，並在設計規劃初期就做出考慮封裝因素的決策。
本文對比了目前湧現出的四個極具競爭力的發展方向：
1、擴展 CoWoS。
2、過渡到 CoPoS，它是 CoWoS 的面板級扇出演化版本。
3、推出玻璃芯面板基板。
4、採用晶片-晶圓-平台-PCB（CoWoP）技術，無需有機基板。
我們不會尋找唯一的贏家，而是會研究每個選項可能適用的場景，以及設計團隊如何在生態系統發展過程中保持選擇的靈活性。
CoWoS：已驗證，但仍有侷限性
如今，採用HBM技術的多晶片AI加速器主要基於晶圓襯底上的晶片（CoWoS）工藝建構。矽中介層在300毫米晶圓上採用傳統的前端和後端工藝製造。該中介層提供高密度重分佈層（RDL），用於在邏輯晶片和多個HBM堆疊層之間建立數千個細間距連接，以及用於將電源和訊號傳輸至有機襯底的矽通孔（TSV）。
流程很簡單：晶片被放置並鍵合到中介層晶圓上，晶圓被切割成大型矩形中介層，圓形邊緣的廢料區域被丟棄。然後，晶片-中介層元件被安裝在高性能有機基板上——通常基於味之素增厚膜（ABF）——該基板用作粗焊層，並提供連接到PCB的焊球：頂部的散熱片和冷卻裝置完成整個堆疊結構。
這種架構自然而然地產生了三種互連方式：
1、片上佈線速度極快且密度很高。
2、矽中介層上的互連速度稍慢，密度也較低。
3、有機基板和PCB中的布線速度相對較慢且稀疏。
系統架構師需要權衡這些領域——在晶片之間劃分功能，並決定那些訊號留在晶片上、那些訊號穿過中介層或那些訊號穿過基板——以滿足頻寬、延遲和功耗目標。
CoWoS技術已投入生產多年，被認為是一項成熟且低風險的技術。它是當今大多數旗艦級AI加速器和高端網路ASIC的基礎。然而，首要的限制因素是中介層尺寸。在主流的CoWoS-S方案中，中介層的尺寸受限於光罩的曝光面積。目前的產品支援最大可達光罩尺寸三倍的中介層，約為2700平方毫米。超過這個大約2700平方毫米的範圍，則需要更複雜的方案，例如CoWoS-L或CoWoS-R，這會增加工藝複雜性和成本。
第二個限制因素是幾何形狀。我們需要從圓形晶圓上切割出大塊的矩形晶片。即使經過精心的晶片拼接，晶圓邊緣區域仍有相當一部分無法用作可用的中介層。實際上，只有大約三分之二的理論晶圓面積能夠轉化為大尺寸、高品質的中介層晶片。
最終得到的這項技術功能卓越，但資本密集且產能有限。代工廠已投入巨資提高CoWoS的產量，但人工智慧加速器和其他多晶片系統的需求仍在不斷增長。對許多項目而言，問題不在於CoWoS在技術上是否適用，而在於它能否以合適的產量、可接受的成本和令人滿意的進度交付。
CoPoS：另一條道路
一種擬議的後續技術是晶片封裝在基板上的面板封裝（CoPoS），這是一種面板級扇出封裝技術。從概念上講，CoPoS 將 CoWoS 的理念擴展到矩形面板而非圓形晶圓。根據供應商和工藝的不同，目前路線圖上的面板尺寸範圍約為 300 × 300 毫米到 500 × 500 毫米。
從系統角度來看，主要優勢在於面積利用率。大型矩形器件可以自然地平鋪在矩形面板上，其死區面積遠小於圓形晶圓。對於接近 CoWoS-S 極限的超大型 AI 封裝而言，這額外的可用面積可以直接轉化為每個載體上更多的封裝，以及每平方毫米“有效”中介層或扇出區域更低的成本。
基於有機或玻璃載體的面板工藝已經實現了線間距在 3–5 µm 範圍內的重分佈層，並且研發工作正朝著更精細的幾何尺寸邁進。雖然這還不如最先進的矽中介層布線那樣激進，但如果精心選擇凸點間距和介面寬度，對於許多基於邏輯的 HBM 拓撲結構來說已經足夠了。
權衡之處在於成熟度。CoPoS 需要新的工具、新的材料處理方法和新的良率學習。公開的路線圖和行業報告顯示，試點生產線預計將在本十年中期投入使用，而大規模生產則預計在本十年末期實現。這使得 CoPoS 成為一種中期選擇：對於需要大扇出面積且能夠將產品發佈窗口與該時間表相匹配的設計而言，它具有吸引力；但對於近期高風險的旗艦產品而言，它目前還無法直接替代。
玻璃芯面板：基材升級
與此同時，基板行業正在研發玻璃芯面板基板。與有機芯材相比，玻璃具有以下幾個吸引人的特性：
1、優異的尺寸穩定性和較低的翹曲度，有助於大尺寸面板的對齊和產量。
2、低介電損耗，對於多千兆位元和數十千兆位元鏈路意義重大。
3、核心兩側可採用細間距 RDL，並可通過玻璃通孔 (TGV) 連接它們。
裝置和材料供應商已公佈了玻璃基板的路線圖，其線寬/間距正逐步縮小至微米級，面板尺寸也與面板級扇出尺寸類似。實際上，玻璃芯材可以將類似中介層的布線密度引入基板本身。
對於系統和晶片設計人員而言，玻璃材質開啟了多種應用場景：
1、通過將更多布線轉移到玻璃芯中，減少或消除某些 2.5D 元件中對單獨的矽中介層的需求。
2、在玻璃核心上結合面板級扇出，可以建構非常大的 AI 或網路封裝，而不會使 CoWoS-S 超出其舒適範圍。
3、在封裝等級上為晶片、SerDes 或射頻功能啟用低損耗、高頻路徑。
玻璃芯並非免費升級。它需要不同的成型工藝、處理和加固方式，以及新的檢測策略。現有的有機芯生產線已基本攤銷完畢，對許多產品而言仍具有吸引力。實際上，玻璃芯很可能首先出現在高端、頻寬需求最高的系統中，然後隨著產量增長和成本下降，逐步推廣到更廣泛的市場。
CoWoP: Collapsing Package and Board
在四種方案中，晶片封裝在晶圓上並置於平台PCB上（CoWoP）是最具顛覆性的。與將矽中介層或扇出元件安裝在有機封裝基板上不同，CoWoP 將整個結構直接連接到高密度印刷電路板上（圖3）。ABF或BT基板從堆疊結構中消失。
為了實現這一點，PCB必須變得更像基板。這需要線寬/間距在15-20微米範圍內的超高密度互連（Ultra-HDI）板，需要多次層壓工藝，以及精心設計的材料來控制翹曲和熱膨脹係數（CTE）。這與目前主流的伺服器主機板相比還有很大的提升空間，但隨著PCB技術的進步，這並非遙不可及。
如果CoWoP技術能夠在直接安裝到電路板上的大型中介層或扇出元件上實現穩定的良率，那麼它將帶來顯而易見的優勢：更少的層數、更少的組裝步驟，以及更短的從晶片到系統的路徑。此外，它還能將更多的價值和創新機會轉移到PCB製造商手中，從而有可能改變先進封裝供應鏈的結構。
CoWoP的風險在於，它將多個極具挑戰性的問題——精細PCB製造、大尺寸電路板的平整度、大電流供電以及先進的檢測技術——壓縮到一個單一且高度整合的解決方案中。目前，它仍更接近概念和早期演示階段，而非大規模生產階段。設計人員應將其視為一種長期選擇，而不是CoWoS或CoPoS的直接替代方案。
選擇道路，沒有單一的贏家
鑑於這些不同的選擇，人們很容易問那一種會“勝出”。但更現實的觀點是，這四種選擇將共存，各自服務於不同的市場領域：
1、當必須最大限度地降低進度和技術風險時，CoWoS 仍然是旗艦級 AI 加速器和高端網路 ASIC 的默認選擇。
2、當面板級流程在生產中得到驗證且產能到位時，CoPoS 對於超大型、高頻寬封裝就具有吸引力。
3、玻璃芯面板可作為基板的升級途徑，在某些應用中可以補充或部分取代矽中介層。
4、一旦超高密度互連PCB製造和檢測技術成熟，CoWoP最終可能會為批次系統提供一條簡化、經濟高效的途徑。
大多數公司不會把所有賭注都押在單一業務上。相反，它們會進行業務多元化佈局：
1、在面板級替代方案明確準備就緒之前，產品堆疊的頂端仍將使用 CoWoS。
2、中端加速器和專用資料中心晶片更早地遷移到 CoPoS 或玻璃芯基板，在這些晶片中，封裝成本比絕對互連密度更為關鍵。
3、一旦電路板生態系統能夠支援，邊緣人工智慧、消費電子和汽車產品就會探索類似 CoWoP 的流程，利用更簡單的組裝和更薄的堆疊。
設計團隊實用指南
隨著生態系統的演變，建築師和實體設計師可以通過一些務實的措施來減少未來的痛苦：
介面設計應考慮封裝特性，但不要侷限於特定封裝：平面圖、凸點圖和介面間距的設計應同時支援基於中介層和面板級基板，而無需完全返工。避免僅適用於單一工藝的假設。
儘早模擬多種堆疊方案：CoWoS、CoPoS、玻璃芯和CoWoP 各自都會改變熱路徑、機械性能和供電網路。對幾種候選堆疊方案進行系統級分析，可以在最終確定封裝方案之前，揭示那些方案可行以及真正的瓶頸可能在那裡。
在整個供應鏈中建立並維護良好的關係：晶圓代工廠、OSAT廠商、基板製造商、面板製造商和PCB供應商的發展速度各不相同。產能獲取和早期資訊往往比產品路線圖上的品牌標識更為重要。廣泛的合作夥伴網路能夠讓設計團隊在技術和需求不斷變化時擁有更大的靈活性。
先進封裝不再僅僅是後端細節，而是系統架構、成本結構和產品上市時間的核心組成部分。好消息是，我們的選擇越來越多，而不是越來越少。如果我們能在設計時充分考慮這些選擇，並保持路線圖的靈活性，那麼即將到來的岔路口將成為我們實現差異化的契機，而不是阻礙創新的瓶頸。 (半導體行業觀察)