臺積電上海技術論壇到底講了些什么？（2）

三、先進封裝技術：TSMC 3DFabric

為了進一步發展微縮技術，以在單芯片片上系統（monolithic SoCs）中實現更小且更優異的晶體管，臺積電還在開發 3DFabric 技術，發揮異質整合的優勢，將系統中的晶體管數量提高5倍，甚至更多。

臺積電3DFabric 系統整合技術包括各種先進的 3D 芯片堆疊和先進封裝技術，以支持廣泛的下一代產品：在 3D 芯片堆疊方面，臺積電在系統整合芯片（TSMC-SoIC）技術家族中加入微凸塊的 SoIC-P，以支持更具成本敏感度的應用。

2.5D CoWoS 平臺得以實現先進邏輯和高頻寬記憶體的整合，適用于人工智能、機器學習和數據中心等 HPC 應用；整合型扇出層疊封裝技術（InFOPoP）和 InFO-3D 支持移動應用，InFO-2.5D 則支持 HPC 小芯片整合。

基于堆疊芯片技術的系統整合芯片（SoIC）現可被整合于整合型扇出（InFO）或 CoWoS 封裝中，以實現最終系統整合。 

1、CoWoS? 家族

●主要針對需要整合先進邏輯和高帶寬存儲器的 HPC 應用。臺積電公司已經支持超過 25 個客戶的 140 多種 CoWoS 產品。

●所有 CoWoS 解決方案的中介層面積均在增加，以便整合更多先進芯片和高帶寬存儲器的堆疊，以滿足更高的性能需求。

●臺積電正在開發具有高達 6 個光罩尺寸（約 5,000 平方毫米）重布線層（RDL）中介層的 CoWoS 解決方案，能夠容納 12 個高帶寬存儲器堆疊。

具體來說，CoWoS已經擴展到提供三種不同的轉接板技術（CoWoS中的“晶圓”）：

①CoWoS-S

●采用硅中介層，基于現有硅片光刻和再分布層的加工

●自2012年開始批量生產，迄今為止為已向20多家客戶提供了>100種產品

●轉接板集成了嵌入式“溝槽”電容器

●目前最新的第五代CoWoS-S封裝技術，將增加 3 倍的中介層面積、8 個 HBM2e 堆棧（容量高達 128 GB）、全新的硅通孔（TSV）解決方案、厚 CU 互連、第一代的eDTC1100（1100nF/mm2）、以及新的 TIM（Lid 封裝）方案。

根據官方的數據，臺積電第 5 代 CoWoS-S封裝技術，有望將晶體管數量翻至第 3 代封裝解決方案的 20 倍。

②CoWoS-R

●使用有機轉接板以降低成本

●多達 6 個互連的再分布層，2um/2um L/S

●4倍最大光罩尺寸，支持一個 SoC，在 55mmX55mm 封裝中具有 2 個 HBM2 堆棧；最新開發中的方案擁有 2.1 倍最大光罩尺寸，支持2 個 SoC 和 2HBM2 采用 85mmX85mm 封裝

③CoWoS-L

●使用插入有機轉接板中的小硅“橋”，用于相鄰芯片邊緣之間的高密度互連（0.4um/0.4um L/S 間距）

●2023年將會推出擁有2倍最大光罩尺寸大小，支持 2 個 SoC 和 6 個 HBM2 堆棧的方案；2024年將推出4倍最大光罩尺寸，可支持 12 個 HBM3 堆棧的方案。

臺積電強調，他們正在與 HBM 標準小組合作，共同制定 CoWoS 實施的 HBM3 互連要求的物理配置。

HBM3 標準似乎已經確定了以下堆棧定義：4GB（帶 4 個 8Gb 芯片）到 64GB（16 個 32Gb 芯片）的容量;1024 位信號接口;高達 819GBps 帶寬。這些即將推出的具有多個 HBM3 堆棧的 CoWoS 配置將提供巨大的內存容量和帶寬。

此外，由于預計即將推出的CoWoS設計將具有更大的功耗，臺積電正在研究適當的冷卻解決方案，包括改進芯片和封裝之間的熱界面材料（TIM），以及從空氣冷卻過渡到浸入式冷卻。

2、InFO

在臨時載體上精確（面朝下）放置后，芯片被封裝在環氧樹脂“晶圓”中。再分布互連層被添加到重建的晶圓表面。然后將封裝凸塊直接連接到再分配層。有InFO_PoP、InFO_oS和InFO_B三類。

①InFO_PoP

如下圖所示，InFO_PoP表示封裝對封裝配置，專注于DRAM封裝與基本邏輯芯片的集成。DRAM頂部芯片上的凸塊利用貫穿InFO過孔（TIV）到達重新分配層。

InFO_PoP主要用于移動平臺，自 2016 年以來，InFO_PoP出貨量超過 12 億臺。

InFO_PoP存在的一個問題是，目前DRAM封裝是定制設計，只能在臺積電制造。不過，在開發中的還有另一種InFO_B方案，其中在頂部添加了現有的（LPDDR）DRAM封裝，并且組件由外部合同制造商提供。

臺積電表示，在移動應用方面，InFO PoP 自 2016 年開始量產并運用于高端移動設備，可以在更小的封裝規格中容納更大、更厚的系統級芯片（SoC）。

②InFO_oS

InFO_oS（基板上）可以封裝多個芯片，再分布層及其微凸起連接到帶有TSV的基板。目前，InFO_oS投產已達5年以上，專注于HPC客戶。

• 基板上有 5 個 RDL 層，2um/2um L/S

• 該基板可實現較大的封裝尺寸，目前為110mm X 110mm，并計劃實現更大的尺寸

• 擁有130um C4 凸塊間距

③InFO_M

InFO_M是InFO_oS的替代方案，具有多個封裝芯片和再分布層，無需額外的基板+ TSV（<500mm2封裝，于2022年下半年投產）。

臺積電表示，在 HPC 應用方面，無基板的 InFO_M 支持高達 500 平方毫米的小芯片整合，適用于對外型尺寸敏感度較高的應用。

3、3D 芯片堆疊技術

臺積電更先進的垂直芯片堆疊3D拓撲封裝系列被稱為“系統級集成芯片”（SoIC）。它利用芯片之間的直接銅鍵合，具有優秀的間距。

SoIC有兩種產品——“wafer-on-wafer”（WOW）和“chip-on-wafer”（COW）。WOW拓撲在晶圓上集成了復雜的SoC芯片，提供深溝槽電容（DTC）結構，以實現最佳去耦。更通用的 COW 拓撲堆疊多個 SoC 芯片。

下表顯示了符合SoIC組裝條件的工藝制程節點。

●SoIC-P 采用 18-25 微米間距微凸塊堆疊技術，主要針對如移動、物聯網等成本較為敏感的應用。

●SoIC-X 采用無凸塊堆疊技術，主要針對 HPC 應用。其芯片對晶圓堆疊方案具有 4.5 至 9 微米的鍵合間距，已在臺積公司的 N7 工藝技術中量產，用于HPC 應用。

●SoIC 堆疊芯片可以進一步整合到 CoWoS、InFo 或傳統倒裝芯片封裝，運用于客戶的最終產品。

6月14日，處理器大廠AMD正式發布了新一代的面向AI及HPC領域的GPU產品——Instinct MI 300系列。其中，MI300X則是目前全球最強的生成式AI加速器，集成了高達1530億個晶體管，并支持高達 192 GB 的 HBM3內存，多項規格超越了英偉達（NVIDIA）最新發布的H100芯片。

臺積電表示，AMD Instinct MI 300X采用了臺積電 SoIC-X 技術將 N5 GPU 和 CPU 堆疊于底層芯片，并整合在CoWoS 封裝中，以滿足下一代百萬兆級（exa-scale）運算的需求，這也是臺積電3DFabric 技術推動 HPC 創新的絕佳案例。

4、3DFabric? 聯盟和 3Dblox? 標準

在去年的開放創新平臺（Open Innovation Platform? ，OIP）論壇上，臺積電宣布推出新的 3DFabric? 聯盟，這是繼 IP 聯盟、電子設計自動化（EDA）聯盟、設計中心聯盟（DCA）、云端（Cloud）聯盟和價值鏈聯盟（VCA）之后的第六個 OIP聯盟，旨在促進下一代 HPC 和移動設計的生態系統合作，具體包括：

●提供 3Dblox 開放標準

●實現存儲器和臺積公司邏輯工藝之間的緊密協作

●將基板和測試合作伙伴導入生態系統

臺積電推出了最新版本的開放式標準設計語言 3Dblox? 1.5，旨在降低 3D IC 設計的門檻。

四、卓越制造

臺積電在先進制程的缺陷密度（D0）和每百萬件產品缺陷數（DPPM）方面的領先地位，展現了其制造卓越性。

●N5 工藝復雜度遠高于 N7，但在相同階段，N5 的良率優化比 N7 更好。

●臺積電 N3 工藝技術在高度量產中的良率表現領先業界，其 D0 效能已經與 N5 同期的表現相當。

●臺積電 N7 和 N5 制程技術在包括智能手機、電腦和汽車等方面，展現了領先業界的 DPPM，我們相信 N3 的 DPPM 很快就能追上 N5 的表現。

●通過利用臺積電領先業界的 3DFabric? 制造技術，客戶可以克服系統級設計復雜性的挑戰，加速產品創新。

●CoWoS 和 InFO 家族在量產后很快就達到了相當高的良率。

●SoIC 和先進封裝的整合良率將達到與 CoWoS 和 InFO 家族相同的水平。

為了滿足客戶不斷增長的需求，臺積公司加快了晶圓廠拓展的腳步。

從 2017 年到 2019 年，臺積電平均每年進行大約 2 期的晶圓廠建設工程。

從 2020 年到 2023 年，臺積公司晶圓廠的平均建設進度大幅增加至每年約5 期的工程。

在過去兩年，臺積公司總共展開了 10 期的晶圓廠新建工程，包括在臺灣地區的 5 期晶圓廠工程與 2 期先進封裝廠工程，以及全球范圍內的 3 期晶圓廠工程。

●中國臺灣地區以外，28 納米及以下工藝產能在 2024 年將比 2020 年增加 3 倍。在中國臺灣地區，臺積電 N3 制程量產的基地在南科 18 廠；此外，臺積電正在為N2 制程的新晶圓廠進行準備。

●在中國大陸，臺積電2002年在上海松江設立8吋晶圓廠，并于2016年在南京設12吋晶圓廠和一座設計服務中心。目前，南京廠新 1 期的 28 納米制程擴產已于去年量產。

●在美國，臺積電正在亞利桑那州建造 2 期晶圓廠，總投資400億美元。目前第一期已經開始移入設備，第二期正在興建中。

●在日本，臺積電正在熊本興建一座晶圓廠，計劃總投資86億美元，預計在2023 年 9 月完工，2024 年底開始量產16 納米和 28 納米技術。今年1月，臺積電對外表示，考慮在日本興建第二座晶圓廠。在6月6日的股東會上，臺積電董事長劉德音首度透露評估中的日本二廠可能仍會建在熊本縣，會設在日本一廠附近，并且仍將面向成熟制程。

●在德國，臺積電正考慮在德國建一座晶圓廠，目前對于德國建廠的可能性仍在談判當中，但在 8 月之前不會做出決定。

據此前彭博社的報道顯示，臺積電正在與合作伙伴討論，計劃在爭取到《歐洲芯片法案》的補助支持的情況下，在2023年8月份的董事會上批準赴德國建立晶圓廠計劃。預計將投資最高將接近100億歐元，具體落腳點可能是在德國薩克森州。一旦臺積電決定在德國建廠，那么這將是臺積電在歐洲的首座晶圓廠。因為歐洲汽車工業的需求，該座晶圓廠預計將會以生產車用 MCU 需求的28nm成熟制程開始。

臺積電董事長劉德音曾表示，如果在德國設廠，原則上還是希望能夠維持獨資，不過，如果客戶希望能擁有部分股份，將會讓其小額持股，臺積電還是會持有大部分股權，希望能自由調配產能，避免以后產能遭控制。

六、綠色制造

為了實現 2050 年凈零排放的目標，臺積電持續評估并投資各種減少溫室氣體排放的機會。

●到 2022 年，臺積電直接溫室氣體排放量已經較 2010 年降低了 32%。

●此一成果是通過降低工藝氣體消耗、替換可能造成全球暖化的氣體、安裝現場廢氣處理設備，以及提高氣體去除效率等方式實現。

臺積電目標每個工藝技術于量產第五年時，生產能源效率提高一倍。

●N7 制程技術的生產能源效率在量產后第五年提高了 2.5 倍。

●臺積電預計到 2024 年，N5 制程技術的生產能源效率將提高 2.5 倍。

去年，臺積電在臺灣地區南部建立了第一座再生水廠，每日供水量 5,000 公噸，時至今日，該再生水廠每日供水量達 20,000 公噸。

●到 2030 年，臺積公司的每生產單位自來水消耗量將降至 2020 年的 60%。