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多維度芯片互連，從原理到應(yīng)用，看懂改變游戲規(guī)則的新技術(shù)。

01 

芯片封裝與測試：半導(dǎo)體制造的關(guān)鍵“守門員”

在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中，芯片封裝與測試扮演著至關(guān)重要的角色，堪稱芯片制造的“最后一公里”。簡單來說，芯片封裝就是通過特定的材料和工藝技術(shù)，對芯片進行安放、固定和密封，不僅能夠保護芯片的“脆弱身軀”，還能將芯片上的接點與封裝外殼相連，實現(xiàn)芯片內(nèi)部功能的“對外輸出”。而芯片測試則是確保封裝后的芯片能夠“持證上崗”，滿足各項性能指標的“終極考核”。

圖：半導(dǎo)體Wire Bonding封裝工藝示意圖

• 保護芯片：封裝為脆弱的芯片提供物理保護，防止其受到機械損傷、濕氣、灰塵和其他環(huán)境因素的影響。

• 電氣連接：封裝通過引線或焊球?qū)⑿酒慕狱c與外部電路連接起來，確保信號和電力的有效傳輸。

• 散熱管理：封裝材料和技術(shù)有助于散熱，防止芯片因過熱而性能下降或損壞。

• 尺寸適配：封裝使芯片能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用場景和設(shè)備，滿足各種尺寸和形狀的要求

  
  

  
  

可以說，封裝與測試環(huán)節(jié)直接決定了芯片的可靠性和性能表現(xiàn)，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中不可或缺的關(guān)鍵一環(huán)。

02

全球封裝技術(shù)演進史：從通孔插裝到3D封裝的跨越式發(fā)展

封裝技術(shù)的演進史，不僅是一部技術(shù)創(chuàng)新的編年史，更是一部電子產(chǎn)業(yè)不斷突破極限、重塑未來的奮斗史。封裝技術(shù)作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的核心環(huán)節(jié)，經(jīng)歷了從1.0到5.0時代的跨越式演進：

1.0時代（20世紀70年代前），通孔插裝型封裝主導(dǎo)市場，代表技術(shù)包括晶體管封裝（TO）和陶瓷雙列直插封裝（CDIP），通過引線插入PCB板通孔的方式，滿足了早期電子產(chǎn)品的需求。

圖：TO封裝和CDIP封裝

2.0時代（20世紀80年代），表面貼裝技術(shù)（SMT）革命帶來了塑料四邊引線扁平封裝（PQFP）和小外形表面封裝（SOP）等創(chuàng)新，實現(xiàn)了更小尺寸和更高密度封裝，推動了消費電子的快速發(fā)展。

圖：PQFP封裝和SOP封裝

3.0時代（20世紀90年代），見證了BGA與CSP技術(shù)的崛起，塑料焊球陣列封裝（PBGA）和倒裝芯片焊球陣列封裝（FC-BGA）等核心創(chuàng)新提升了I/O密度，改善了散熱性能，滿足了高性能計算的需求。

圖：PBGA封裝和BGA封裝

4.0時代（20世紀末），多芯片組封裝（MCM）時代來臨，系統(tǒng)級封裝（SIP）和芯片上制作凸點（Bumping）等技術(shù)突破實現(xiàn)了異質(zhì)集成，推動了模塊化設(shè)計的發(fā)展。SiP 可以將不同功能、不同工藝的芯片和元件整合到一個封裝中，實現(xiàn)異質(zhì)整合（Heterogeneous Integration）。這種封裝技術(shù)在將多個芯片、被動元件（如電容、電阻）、連接器、電路等整合到一個封裝體內(nèi)，從而形成一個完整的系統(tǒng)。這種技術(shù)的出現(xiàn)是為了應(yīng)對現(xiàn)代電子產(chǎn)品對小型化、高性能、低功耗和快速上市的需求。

圖：系統(tǒng)級封裝SIP封裝

5.0時代（21世紀），先進封裝技術(shù)全面爆發(fā)，硅通孔（TSV）、扇出型封裝（Fan-Out）和3D封裝等前沿方向突破了摩爾定律的限制，支撐了高性能計算(HPC)、人工智能(AI)等新興應(yīng)用場景的發(fā)展。而CoWoS正是使用硅通孔（TSV）技術(shù)，通過在硅片中鉆孔并填充導(dǎo)電材料，形成垂直的電連接通道，使得芯片可以在三維空間中進行高效通信。

圖：從Wire Bonding封裝到TSV封裝技術(shù)發(fā)展

TSV（Through Silicon Via，硅通孔）技術(shù)可以實現(xiàn)硅片內(nèi)部垂直電互聯(lián)，是實現(xiàn)2.5D、3D先進封裝的關(guān)鍵技術(shù)之一。相比平面互連，TSV可減小互連長度和信號延遲，降低寄生電容和電感，實現(xiàn)芯片間低功耗和高速通信。

圖：TSV硅通孔技術(shù)

硅通孔（TSV)封裝主要優(yōu)勢在于性能優(yōu)越且封裝尺寸較小。使用引線鍵合（Wire Bonding）芯片堆疊封裝利用引線連接至各個堆疊芯片側(cè)面，隨著堆疊芯片以及連接引腳（Pin）數(shù)量增加，引線變得更加復(fù)雜，且需更多空間來容納引線。相比之下，硅通孔芯片堆疊則不需要復(fù)雜布線，因而封裝尺寸更小。

圖：引線鍵合(Wire Bonding)技術(shù)與硅通孔(TSV)技術(shù)對比

隨著先進制程的重要性日益凸顯，三星、英特爾等 IDM，日月光等 OSAT（外包半導(dǎo)體組裝和測試）廠商都在發(fā)力先進封裝。而采用了TSV硅中介層的關(guān)鍵技術(shù) CoWoS，正在成為臺積電在 AI 競爭中的又一個殺手锏，這項2.5D先進封裝技術(shù)也隨著AIGC引發(fā)的熱潮，被推到了這場芯片革命的浪尖上。

03 

CoWoS：多維互連，突破傳統(tǒng)"物理極限困境"

芯片封裝由 2D 向 3D發(fā)展的過程中，衍生出多種不同的封裝技術(shù)。其中，2.5D 封裝是一種先進的異構(gòu)芯片封裝，可以實現(xiàn)從成本、性能到可靠性的完美平衡。

何為2.5D封裝?

2.5D封裝是將處理器、記憶體或其他晶片以覆晶方式，經(jīng)微凸塊以水平堆疊在硅中介層上，連結(jié)不同晶片的電子信號，再透過是中介層中的硅通孔（TSV)連結(jié)下方的金屬凸塊，再封裝到基板上，使芯片與基板更緊密互連。從側(cè)面圖看，芯片雖然是堆疊起來的，本質(zhì)還是水平封裝，但芯片間距更近，芯片尺寸也更小。

2.5D 封裝是一種先進的異構(gòu)芯片封裝，具備低成本、高性能和可靠性等優(yōu)勢。這種設(shè)計架構(gòu)提供了更高的集成度和性能，允許多個芯片之間的高速數(shù)據(jù)傳輸和資源共享，從而實現(xiàn)了更強大的計算能力和更高效的能源利用。

圖：2.5D封裝示意圖

目前先進的CoWoS就屬于2.5D封裝，師出同門的還有InFO，這也成了NVIDIA發(fā)展AI芯片的最佳助攻手。

圖：2.5D封裝與3D封裝

何為CoWoS?

2008年臺積電成立集成互連與封裝技術(shù)整合部門，專門研究先進封裝技術(shù)，重心發(fā)展扇出型封裝InFO、2.5D封裝CoWoS和3D封裝SoIC。目前CoWoS 封裝技術(shù)已經(jīng)成為了眾多國際算力芯片廠商的首選，是高端性能芯片封裝的主流方案之一，該方案具備提供更高的存儲容量和帶寬的優(yōu)勢，適用于處理存儲密集型任務(wù)，如深度學(xué)習(xí)、5G 網(wǎng)絡(luò)、節(jié)能的數(shù)據(jù)中心等。

圖：臺積電3DFabric技術(shù)平臺

CoWoS（Chip On Wafer On Substrate）是一種2.5D的整合生產(chǎn)技術(shù)，其核心是將不同的芯片堆疊在同一片硅中介層以實現(xiàn)多顆芯片互聯(lián)。具體而言，CoWoS由CoW和WoS組合而來：

圖：Chip-on-Wafer-on-Substrate

CoW：Chip-on-Wafer 芯片堆疊

WoS：Wafer-on-Substrate 芯片連接基板

CoWoS通過“三明治”結(jié)構(gòu)將多個芯片（如CPU、GPU、HBM內(nèi)存）集成到同一基板上，這個過程，我們稱為：Chip on Wafer（CoW），即先將多個層芯片堆疊，通過的封裝制程連接至硅晶圓。

利用硅中介層（Interposer）上的微米級金屬線和硅通孔（TSV）實現(xiàn)高速互聯(lián)，把CoW芯片與基板（Substrate）連接，即：Wafer-on-Substrate 芯片連接基板，最終整合形成CoWoS。

簡單來說，它把傳統(tǒng)“單層芯片”升級為“多層積木”，讓不同功能的芯片協(xié)同工作，突破單一芯片的性能天花板。

圖：CoWoS封裝技術(shù)

相比傳統(tǒng)封裝，CoWoS具備“高帶寬”與“低延遲”兩大核心優(yōu)勢：

• 高帶寬：CoWoS的互連密度提升10倍以上，帶寬可達數(shù)百GB/s，功耗降低30%，可滿足AI訓(xùn)練和推理對海量數(shù)據(jù)的吞吐需求。例如，英偉達H100 GPU通過CoWoS封裝8顆芯片和12個HBM3，算力達到4000 TFLOPS。

• 低延遲：芯片間距離縮短至微米級，信號傳輸延遲從毫秒級降至納秒級，適合實時決策場景（如自動駕駛）。

  
  

CoWoS 作為 2.5D 多芯片封裝技術(shù)，具備提供更高的存儲容量和帶寬的優(yōu)勢，適用于處理存儲密集型任務(wù)，如深度學(xué)習(xí)、5G 網(wǎng)絡(luò)、節(jié)能的數(shù)據(jù)中心等。CoWoS 封裝技術(shù)已經(jīng)成為了眾多國際算力芯片廠商的首選，是高端性能芯片封裝的主流方案之一。

04

慕藤光智能成像光學(xué)系統(tǒng)助力先進封裝檢測

2.5D/3D先進封裝技術(shù)，通過將多個芯片進行高密度集成，實現(xiàn)了更高的性能和更小的尺寸。然而，復(fù)雜的工藝也帶來了諸多挑戰(zhàn)，尤其是CoWoS，每個晶圓芯片在安裝到中介層之前都需要單獨測試，安裝后還需要再次測試。除此之外，硅通孔 (TSV) 也需要測試，尤其大型硅中介層特別容易受到制造缺陷的影響，可能導(dǎo)致產(chǎn)量損失。

如果在堆疊之前，沒有針對單一的裸晶做好合格的測試，而誤將合格的A芯片跟失效的B芯片結(jié)合在一起，那么不只是做出來的芯片，不僅白白損失了前面的制程，更加浪費大量的人力、物力跟金錢，因此建立良率測試流程非常重要。

良率跟成本間的權(quán)衡，也是需要探究的問題。如果想要保證最佳的良率，最好的方式是每一道環(huán)節(jié)都進行測試，這樣生產(chǎn)成本以及制造時間也會對應(yīng)地增加，因此，要怎么測試，在什么時候測試，要做多少測試，是一門相當(dāng)深奧的學(xué)問。

而慕藤光智能光學(xué)成像系統(tǒng)（包括：激光同軸檢測光學(xué)系統(tǒng)、MCI計算光學(xué)系統(tǒng)、DIC微分干涉光學(xué)系統(tǒng)）等，貫穿了半導(dǎo)體全流程的檢測，可在光刻、刻蝕、研磨等工藝后，對制程中各類表面圖形缺陷及凸點缺陷進行快速檢測，并根據(jù)客戶所需要的精度和速度進行實時調(diào)整。

●自動光學(xué)檢測（AOI）

自動光學(xué)檢測（AOI）是一種新興的檢測技術(shù)，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化過程中被廣泛應(yīng)用。光學(xué)檢測是通過提高相機的分辨率來提高檢測精度的，但在視覺系統(tǒng)應(yīng)用中，存在一些限制因素。AOI 引入了亞像素定位算法，可以實現(xiàn)像素細分，從而獲得比圖像分辨率更高的精度。AOI 系統(tǒng)通過自動掃描產(chǎn)品表面來捕獲圖像，并將圖像與預(yù)先存儲在數(shù)據(jù)庫中的標準模板進行對比，通過設(shè)定的灰度和缺陷尺寸來檢測產(chǎn)品表面缺陷。AOI 系統(tǒng)還可以集成白光干涉鏡頭、激光鏡頭，從而實現(xiàn) 3D 全自動測量功能。

在 TSV 轉(zhuǎn)接板的制備過程中，光刻圖形形貌與電鍍表面質(zhì)量直接影響下一個制程的制備。為了確保產(chǎn)品圖形化后的質(zhì)量和性能，AOI 系統(tǒng)必須具備μm級的全圖形缺陷檢測能力。在AOI檢測設(shè)備中搭載慕藤光圖像對焦傳感器和MCI計算光學(xué)系統(tǒng)，能夠精確地識別表面殘膠、開路、黏附以及電鍍層氧化導(dǎo)致的顏色異常等。此外，結(jié)合影像測量儀還可以實現(xiàn)膠厚測量、TSV孔深測量、凸點高度及其共面性測量。

●主動式線激光檢測

主動激光檢測技術(shù)基于主動式激光對焦原理，向被測對象施加外部主動激勵，激發(fā)其內(nèi)部缺陷的溫度分布響應(yīng)行為，通過紅外熱像儀采集缺陷信息實現(xiàn)內(nèi)部缺陷檢測及量化分析。

慕藤光激光同軸對焦系統(tǒng)采用主動式自動對焦，通過傳感器發(fā)射一束紅外線或超聲波，來感知并測量物體距離相機的距離，然后移動鏡頭來調(diào)整焦距，直到物體在取景器中清晰可見。對于應(yīng)對TSV三維封裝中底部空洞缺陷、填充缺失缺陷等各類缺陷及2.5D/3D復(fù)雜表面檢測，具備分段式檢測、快速對焦、實時成像的優(yōu)勢。

05

結(jié)語

從“單芯片”到“芯片系統(tǒng)”，CoWoS不僅是封裝技術(shù)的革新，更是對計算架構(gòu)的重新定義。隨著AI算力需求指數(shù)級增長，這項“超級積木”的封裝技術(shù)將推動“超級芯片”從數(shù)據(jù)中心到終端設(shè)備（如自動駕駛、VR設(shè)備）的全面升級。

對于像慕藤光這樣的智能光學(xué)系統(tǒng)上游企業(yè)而言，服務(wù)技術(shù)的領(lǐng)先性、國產(chǎn)替代能力、產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同性，將成為助力國產(chǎn)工藝升級迭代的最強“機器視覺”。

慕藤光憑借其快速對焦、實時跟焦以及全方位的高精度成像技術(shù)，為CoWoS等先進封裝工藝提供了可靠的檢測解決方案，助力國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備在高端制造領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破。未來十年，CoWoS與3.D封裝或?qū)⒅匦聲鴮懓雽?dǎo)體產(chǎn)業(yè)的競爭格局，讓我們共同期待做芯片時代的“弄潮兒”。

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