CoWoS封装技术综述：2.5D/3D异构集成与未来发展趋势

1 引言：CoWoS封装技术概述

CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）作为一种前沿的2.5D先进封装技术，由全球半导体制造龙头企业台积电在2011年首次开发并推出。这项技术的诞生标志着半导体行业在"超越摩尔定律"道路上迈出了关键一步，通过创新的异质集成方案，将不同工艺、不同功能的芯片组合在同一个封装内，实现了系统性能的跨越式提升。CoWoS封装技术本质上属于2.5D集成，其核心在于将芯片通过Chip on Wafer（CoW）的封装制程连接至硅晶圆，然后再把CoW芯片与基板（Substrate）连接，整合成CoWoS。这种设计通过硅中介层实现多颗芯片之间的高密度互连，完美解决了数据密集型应用中的带宽瓶颈问题。

随着人工智能、高性能计算和5G通信技术的蓬勃发展，CoWoS封装技术因其卓越的集成能力和性能表现，迅速成为高端AI芯片首选的封装方案。尤其是在生成式AI浪潮席卷全球的背景下，CoWoS作为英伟达等公司AI GPU的封装基础，其市场需求呈现出爆炸式增长。根据行业分析，2025年中国先进封装市场规模将超过1100亿元，年复合增长率高达26.5%。这一数据充分反映了CoWoS等先进封装技术在半导体产业中的战略地位和增长潜力。

CoWoS技术自推出以来已经经历了五次主要的技术迭代，从最初的CoWoS-S，发展到CoWoS-R，再到最新的CoWoS-L，每一种变体都在中介层材料、互连技术和集成密度方面有着独特的创新。值得注意的是，随着AI芯片尺寸的不断增大和HBM（高带宽内存）堆栈数量的增加，CoWoS封装技术也在持续演进，不断突破封装面积和集成度的极限。这种快速的技术迭代不仅体现了半导体行业创新的活力，也预示着先进封装将在未来计算架构中扮演更为关键的角色。

2 CoWoS技术原理与体系

2.1 2.5D封装的基本结构

CoWoS封装技术的核心在于其2.5D封装结构，这一结构创造性地在芯片与常规基板之间引入了一个硅中介层。该中介层利用硅材料的特性和成熟的半导体工艺，实现了其上多个芯片间的高密度互连。具体来说，CoWoS封装过程分为两个关键阶段：首先，通过Chip-on-Wafer（CoW）工艺将多个芯片（如GPU、CPU和HBM等）堆叠并键合到硅中介晶圆上；然后，再将CoW芯片与封装基板（Substrate）整合，形成完整的CoWoS封装结构。

硅中介层在CoWoS封装中扮演着电气互联枢纽和机械支撑平台的双重角色。它通过硅通孔和高密度金属布线实现芯片间的高速数据传输。与传统封装技术相比，这种结构的突出优势在于能够提供数量级更高的互联密度。研究表明，2.5D集成中的die-to-die互联距离可缩短至毫米级别，数据传输能耗可降低至0.41pJ/bit，比传统PCB互连提升了10倍能效。这种高效的短距互联对于需要TB/s级内存带宽的AI加速器至关重要，也是现代HBM与GPU/ASIC协同工作的基础。

2.2 CoWoS技术分支与演进

随着应用场景的多样化和性能需求的不断提升，CoWoS技术已发展出三种主要变体，分别是CoWoS-S、CoWoS-R和CoWoS-L，每种变体在中介层技术和适用场景上各有侧重。

CoWoS-S是最经典且应用最广泛的版本，采用硅中介层，内含TSV硅通孔和多层金属布线，提供最高的互联密度和信号传输性能。这一变体特别适合对互联带宽要求极高的应用，如高端AI训练芯片和HPC系统。然而，由于大尺寸硅中介层的制造良率挑战，CoWoS-S的成本也最为高昂。

CoWoS-R则基于台积电的InFO技术，利用重布线层（RDL）作为互连介质，替代了传统的硅中介层。RDL是一种高密度铜布线层，可以在封装内实现芯片间的电气连接。CoWoS-R在成本和灵活性方面具有优势，但在最高互联密度方面略逊于CoWoS-S。

CoWoS-L是最新且最具发展潜力的变体，它巧妙地结合了CoWoS-S和InFO技术的优点，同时使用局部硅互联和RDL层进行芯片间互连和功率信号传输。这种混合设计既保留了硅中介层的高性能特点，又通过RDL层提供了更大的设计灵活性，有效平衡了性能和成本之间的关系。2024年台积电已实现CoWoS-L量产，英伟达的Blackwell系列GPU就采用了该工艺。

表：CoWoS主要技术变体比较

3 CoWoS在半导体产业中的优势与挑战

3.1 技术优势与价值

CoWoS封装技术在高端计算领域展现出多重技术优势，使其成为现代AI芯片不可或缺的组成部分。首先，它实现了异构集成能力，允许将不同工艺节点、不同功能、不同尺寸的芯片集成在同一个封装内。这种能力使得计算单元、内存、I/O接口等可以分别采用最适合的制程工艺制造，然后通过CoWoS集成，实现最佳的性能、功耗和成本平衡。例如，在典型的AI加速器中，GPU可采用先进制程以获得最高计算密度，而HBM则使用专为存储优化的制程，两者通过CoWoS集成后发挥协同效应。

其次，CoWoS提供了卓越的互联性能。通过硅中介层或高密度RDL实现的高密度互连，能够提供远超传统封装的互联带宽。数据显示，采用CoWoS封装的AI芯片与HBM之间的数据传输带宽可达TB/s级别，比传统封装方式提升了一个数量级。这种高带宽特性对于数据密集型的AI训练和推理应用至关重要，有效解决了"内存墙"问题。

第三，CoWoS技术还具有系统级优化的潜力。通过2.5D/3D集成，信号传输路径大幅缩短，不仅降低了传输延迟，还显著减少了功耗。同时，由于多个芯片被整合在单一封装内，系统级PCB的复杂度得以降低，整体系统的尺寸和重量也得到优化。特别是在高性能计算和数据中心场景中，这种集成方式能够在机架级别提升计算密度，降低总体拥有成本[TCO]。

3.2 技术挑战与瓶颈

尽管CoWoS技术拥有显著优势，但其发展和应用也面临着一系列严峻挑战。制造复杂性是首要问题。CoWoS封装涉及芯片堆叠、硅中介层加工、微凸点键合、TSV形成等多重复杂工艺，每一步都要求极高的精度和工艺控制能力。特别是在芯片堆叠过程中，需要解决热应力管理、不同材料间的热膨胀系数匹配以及键合完整性等关键技术难题。随着中介层尺寸的不断增加，这些挑战变得愈发突出。

良率挑战是制约CoWoS产能的另一大因素。由于CoWoS封装面积较大，且在封装过程中整合了多个芯片，最终产品的良率受到各个组成环节的累积影响。大尺寸硅中介层的制造本身就有良率压力，而多个芯片的整合更进一步降低了整体良率。特别是在当前AI芯片尺寸不断增大的趋势下，如英伟达的B100/B200芯片，封装良率已成为影响产能和成本的关键变量。

散热挑战在高性能CoWoS封装中尤为突出。在有限的封装空间内集成多个高功耗芯片（如GPU和HBM），导致功率密度急剧上升，热管理变得极其困难。研究表明，未来AI加速器的功耗将突破1000W，甚至向2000W迈进，这对CoWoS封装的热设计提出了前所未有的要求。传统的风冷技术已逐渐达到极限，液冷等先进散热方案正在成为必需品。

此外，CoWoS技术还面临着电气性能方面的挑战。随着信号速度的不断提升，电源完整性、信号完整性和电磁干扰等问题日益凸显。特别是在多层堆叠的3D结构中，电源配送网络设计变得极为复杂，需要通过深沟槽电容器等新型结构来维持稳定的电源供应。

4 市场现状与供需分析

4.1 AI浪潮下的CoWoS需求爆发

当前，全球正处于人工智能，特别是生成式AI的爆发式增长期，这一趋势对算力提出了前所未有的需求。作为高端AI芯片的关键封装技术，CoWoS正经历着供不应求的市场局面。从需求侧来看，北美云服务巨头纷纷上调资本开支预期，谷歌将2025年资本开支预期上调至850亿美元，Meta调整至660-720亿美元，亚马逊更是将2025年资本开支预期提高到约1200亿美元。这些数据充分反映了AI基础设施建设的火热程度，而CoWoS封装产能则是制约AI芯片供给的关键瓶颈。

在具体的应用方面，目前主流的AI训练和推理芯片几乎全部采用CoWoS封装技术。英伟达的A100、A800、H100、H800、GH200等系列AI芯片，以及AMD的MI系列加速器，都依赖CoWoS封装技术来实现高性能计算单元与高带宽内存的集成。值得注意的是，在台积电的CoWoS产能分配中，英伟达占据了超过50% 的份额，凸显了AI芯片在CoWoS需求中的主导地位。

除了AI芯片本身，HBM作为CoWoS封装中的关键组成部分，其产能也与CoWoS紧密相关。HBM需要CoWoS等2.5D先进封装技术来实现与逻辑芯片的高速互联，因此HBM的产能直接受制于CoWoS产能。同时，HBM需求激增又进一步加剧了CoWoS封装的供不应求情况，形成了连锁反应。

4.2 产能状况与主要厂商布局

面对旺盛的市场需求，台积电作为CoWoS技术的主要提供者，正在积极扩大产能。数据显示，2024年台积电的CoWoS封装产能约为每月3.5万片晶圆，贡献了公司总收入的7%到9%。按照规划，到2025年末，CoWoS月产能将提升至每月7万片晶圆，预计贡献超过10%的收入。到了2026年末，月产能将进一步扩大至每月9-11万片晶圆。从2022年至2026年，台积电CoWoS封装产能以约50% 的年复合增长率高速扩张。

除了台积电外，其他半导体巨头也在积极布局CoWoS相关产能。日月光作为全球最大的封测代工厂，正在积极开发FOPLP等CoWoS替代技术，并在高雄厂区投入2亿美元建设面板级扇出型封装量产线。三星电子则通过收购三星电机的面板级封装业务，加速推进自己的2.5D/3D封装技术，其Exynos W920处理器已采用了5nm EUV技术和FOPLP封装。力成科技则是全球封测厂商中第一家建设FOPLP产线的公司，已于2016年设立，并在2019年正式导入量产，规格为510*515mm。

在中国大陆，长电科技、通富微电、华天科技等封测企业也在积极布局先进封装技术，努力缩小与领先企业的差距。长电科技已拥有高集成度的晶圆级WLP、2.5D/3D、系统级SiP封装技术；通富微电的2D+封装技术及3维堆叠封装技术均获得验证通过；华天科技则持续推进FOPLP封装工艺开发和2.5D工艺验证。

表：主要厂商CoWoS及相关技术产能布局

5 未来发展趋势与演进路径

5.1 CoWoS技术发展方向

CoWoS封装技术正朝着更大尺寸、更高集成度和更优成本效益的方向快速发展。为满足AI GPU芯片尺寸增大和HBM堆栈数量增加的需求，CoWoS封装的光罩尺寸持续突破，集成度不断提升。然而，单纯扩大中介层尺寸面临物理极限和良率挑战，因此业界正在探索多种创新路径。

CoWoS-L作为CoWoS技术平台的最新演进，预计将成为下一阶段的主要封装类型。CoWoS-L结合了CoWoS-S和InFO技术的优点，使用中介层与LSI芯片进行芯片间互连，同时使用RDL层进行功率和信号传输，从而提供最灵活的集成。在电气性能方面，CoWoS平台引入第一代深沟槽电容器用于提升电气性能，通过连接所有LSI芯片的电容，CoWoS-L搭载多个LSI芯片，可以显著增加RI上的总eDTC电容。英伟达的Blackwell系列GPU采用该工艺，显示出CoWoS-L在高端AI芯片中的广阔前景。

另一重要发展方向是CoPoS，这被台积电定位为CoWoS的下一代继任者。CoPoS本质上是一种面板级封装解决方案，核心创新在于用大型矩形面板基板替换晶圆级封装，实现"化圆为方"的技术跨越。这种设计变化促进了单一封装内更多半导体的集成，从而提高整体计算性能，实现了更高的基板利用率、更大的封装密度、改进的良率效率、减少的边缘浪费和更低的单位面积成本。据报道，台积电已启动CoPoS试点线，计划在2028年底至2029年间实现该技术的大规模量产，英伟达有望成为首家客户。

同时，FOPLP技术也被视为CoWoS的重要替代或补充路径。FOPLP结合了扇出式封装与面板级封装的双重优势，采用金属、玻璃或高分子聚合物作为载板，可实现更大封装尺寸与更高生产灵活性。其面积利用率超过95%，显著高于传统晶圆级封装的85%，且成本可节省20%以上。目前，台积电、日月光、三星等巨头都在积极布局FOPLP技术，预计2027-2028年将迎来规模化量产。

5.2 材料创新与系统架构演进

CoWoS技术的未来发展不仅限于结构和工艺的改进，更包括关键材料的创新。其中，玻璃基板因其低热膨胀系数、高机械强度、耐高温性、高布线密度等特点，被视为半导体下一代基板解决方案。英特尔已在2023年公开宣布其在玻璃核心基板方面的进展，认为该技术将重新定义芯片封装的边界。玻璃基板与CoPoS工艺结合，可提供卓越的平整度、热稳定性和垂直互连能力，从而改善热性能和互连灵活性。

在系统架构层面，CoWoS技术正在从2.5D向3D集成方向发展。台积电计划于2027年推出其2.5D CoWoS技术，整合8颗A16工艺芯片和12颗HBM4内存，旨在大幅降低AI处理器的生产成本。这种更高维度的集成不仅提升了封装密度，还通过更短的垂直互连进一步降低了延迟和功耗。

此外，协同优化设计将成为CoWoS技术发展的重要趋势。随着封装复杂度的提升，芯片设计与封装设计之间的界限变得模糊，需要芯片架构师与封装工程师从设计初期就紧密协作。台积电的3DFabric制造平台正是这种协同思维的体现，它是一个独特的、完全整合的解决方案，通过优化供应链中1500种不同材料型别的使用，并与多达64家供应商合作。这种整体优化思路预计将成为行业标准，推动CoWoS技术在性能、成本和效率方面实现更大突破。

6 总结与展望

CoWoS封装技术作为2.5D先进封装的代表性解决方案，已经成为AI时代半导体产业的关键基石。通过硅中介层或重布线层实现的高密度异构集成，CoWoS成功突破了传统单芯片封装的性能瓶颈，为算力的持续提升开辟了新的路径。随着CoWoS-S、CoWoS-R到CoWoS-L的技术迭代，这一封装平台在集成灵活性、性能平衡和成本控制方面不断优化，满足了不同场景下的多样化需求。

展望未来，CoWoS技术将继续沿着更大尺寸、更高集成度和更优成本效益的方向演进。CoWoS-L作为当前最具潜力的变体，将在中高端AI芯片中占据主导地位；而CoPoS和FOPLP等面板级封装技术则代表着更远期的技术方向，有望在2028-2030年实现规模化量产，进一步推动封装技术的"化圆为方"革命。同时，玻璃基板等新材料和新工艺的引入，将为CoWoS技术注入新的创新活力。

在AI算力需求持续爆发的大背景下，CoWoS产能供不应求的状况预计还将持续一段时间。这也为中国大陆的封测企业提供了难得的发展窗口，长电科技、通富微电、华天科技等厂商正积极布局2.5D/3D封装技术，有望在全球高端封装市场占据一席之地。总体而言，CoWoS及其衍生技术将继续作为半导体创新的关键推动力，在"超越摩尔"的道路上扮演核心角色，为下一代计算架构的演进奠定坚实基础。

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