到底CoWoS这类先进封装的门槛到底是啥? 为何只有台积电一家独揽全球CoWoS市场 , 三星 , Intel , Amkor , 日月光甚至国内先进封装企业难道不能分一杯羹吗?
先进封装牵涉到前段制程 , 现在CoWoS几乎只针对HPC领域 , 与十多年前发展出的Wafer level package 的um等级有天让之别 , 比如现在NV的 H100 interposer是65nm , 但并非用传统前段65nm的刻蚀制程 , 而是针对先进封装TSV的DRIE的刻蚀制程 , 因此未来性能要求高的所谓先进封装都只会在前段晶圆厂做 , 日月光, Amkor, 矽品在先进封装领域很难有竞争力 .
传统OSAT很难在Chip on Wafer也就是 interposer的上半部有所发挥 , 这是前段晶圆厂的工作 , 但同样是前段Fab , UMC又为啥做不了H100这类65nm等级的interposer , 因为interposer并不是用传统65nm的黄光与刻蚀工艺 , 而是TSV专用的DRIE , 这对Pitch要求很高 , UMC确实还做不了但正在攻克中 . 即便三星与Intel在这部分也得掉不少良率 . 这部分难度并不是特别高 , 但掌握极高良率的know how目前看只有TSMC.
TSMC搞先进封装已有10多年 , 有别于Intel总是搞各种前沿路线研究却极少有成功落地的量产技术 , TSMC是确定了技术方向之后重点投入与量产相关或配套的直接技术 , 而非Intel注重多种可能路线的前期科研 , 也只能说TSMC对技术方向的洞察力非同小可 , 因为他投入的方向几乎都成为未来的主流 .
早在2012年TSMC重兵投入先进封装 . 率先提出Chiplet概念 , CoWoS研发多年之后2016 Nvidia的初代DGX成为第一位使用者 , 2017 Deepmind 的AlhpaGo 打败李世石与柯洁后名噪一时 , 这是TSMC CoWoS的第二个应用 , 此时除了研发机构 , CoWoS商业应用却遥遥无期 , 2020 fugaku 日本富岳超算fugaku 透过GUC创意电子在TSMC量产超算芯片, 这算是CoWoS第一个商用客户 , 直到2022底 Open AI偷偷秘密训练ChatGPT , 并在2023年初向全球公布了石破天惊的GPT-4.0 , CoWoS不断重金投入却没有客户的十年冷板凳 , 最终迎来感人的收获 .
目前TSMC在CoWoS的优势准确地说就是良率的know how , 除了文章前面说的TSV DRIE以外 , 4 *掩膜接合速度与良率 , interposer边缘转角处的应力处理 , Cet垂直突变都是影响CoWoS生产的know how , 这必须有数年的实际生产经验积累而不是短时间有与无的研发就能掌握 .
不论如何 , 上述这些仅仅是量产速度跟良率的区别 , 意思就是说全球并非TSMC独家能做 , 其他竞争对手诸如三星 , Intel , UMC+Amkor , 国内斯米克+盛H其实都可以做 , 差别只是良率高低与速率问题.
TSMC CoWoS目前良率在99%以上 , 国内的盛H也能做到80%+的良率 , 估计今年达到90%+也有机会 , Amkor+UMC这个NV的second source在2023年下半年也能接近95%良率 , 这也说明了CoWoS并不难 , 至少不是前段3nm , 2nm那般遥不可及 .
国内目前的问题主要卡在于前段GPU die良率太低 , 根据作者与封装厂了解到的实际良率算起来不到20% , GPU是大芯片，为了提高光刻的曝光清晰面积，物镜成像的景深就需要控制在相对较大的水平，这会导致分辨率降低，defect变多，良率下降的原因。
至于国内 GPU 的interposer , 以Ascend为例还只是0.15um级别 , 制程问题不是太大 , 下一代国产GPU的interposer要达到H100(65nm)这样的级别还是得靠斯米克的努力 , 所以国内倒底能不能做CoWoS , 整体来说能与不能这并不是大问题 , 主要问题是斯米克的大芯片良率 .
CoWoS良率虽然要达到85甚至95%并不难 , 但这个良率数字跟前段那种50%70%的良率 , 意义上完全不同 , 后段CoWoS良率差1%都严重影响成本 , 因为CoWoS本身并不值钱 , 但interposer上的GPU&CPU die还有大量的HBM却很值钱 .
因为被封锁的原因 , 国内CoWoS良率再低也只能用国内厂家 , 这是没有选择的必然 , 海外的话则是纯成本考量的市场机制 , 如果做不到TSMC良率那将不会有客户愿意下单 , 即便报价再低也很难获得客户青睐 .
为什么CoWoS技术门槛并非特别高 , 全世界却只有TSMC独领风骚 , 这是一个综合所有条件因素的必然结果 , 虽然技术门槛不高 , 但TSMC却在每一个细小环节领先 , 充分竞争并公开的市场逻辑并非单纯能做与不能做的问题 , 更关键的是能不能做得比别人好 .
至于未来 , TSMC在先进封装是否会面临对手的强力挑战 , 作者认为概率不大 , 甚至是极小 , 因为TSMC 现在已推出又是独家的下一代3D先进封装SoIC .
未来推进摩尔定律的重要手段之一就是先进封装 , 先进封装在2.5D的CoWoS之后必然是跨入3D的SoIC , 但是真正的3D封装目前不容易实现 , 尤其是HPC , 主要的问题在于散热 , CoWoS的优势在于热友好 , 大面积的interposer提共很好的散热效果 , 碍于材料还无法突破 , 目前的技术是以3D SoIC + 2.5D CoWoS做为过渡 , 比如AMD的Mi300以及NV下一代的B系列都采取这类技术 , 3D封装必然是未来半导体无可争议的趋势 , 当然受制于材料的突破以及成本 , 各家引入的时间点都会有所不同.
TSMC除了继续维持先进封装的技术领先优势之外 , 更重要的一点是TSMC已构建的庞大产能 , 这将是竞争对手无法逾越的强大护城河 , 任何大客户要下单得优先考虑是否有足够产能 , 新进挑战者没可能在缺乏客户的情况下提早构建产能 , 这将导致大客户只能选择TSMC , 有大客户便有庞大的生产数据以及经验 , 这良性循环又形成技术的另一条护城河 . 所以只要TSMC不出重大意外 , 目前的优势在可知的三年内几乎是明确的.