你以為的「一顆 AI 晶片」,其實是一整組零件擠在同一個封裝裡。
運算晶粒、小晶片、好幾疊 HBM(高頻寬記憶體,High Bandwidth Memory),全部要塞在一起。彼此距離越短,頻寬越高、每瓦效率越好——台積電(2330)用來做這件事的平台,就叫 CoWoS。
CoWoS 底下有 -S、-R、-L 三個版本。名字只差一個字母,工程上卻是兩條完全不同的路:-S 用一整塊矽,-R 用一疊銅線與塑膠。
差別就發生在中間那一層——中介層(Interposer)。這篇把它剖開來看。
三句話講完這篇在幹嘛。
中介層的材料。CoWoS-S 的 S 是 Silicon(矽),用一整塊矽晶圓刻出極細線路;CoWoS-R 的 R 是 RDL(重佈線層),改用高分子介電層加銅線一層層疊出來。
矽的線路最密、可以內建電容,但一整塊做太大就良率崩潰——台積電對 CoWoS-S 給的建議線是 約 3.3 個光罩、≈ 2,700 mm²(不是物理硬牆,AMD MI300 就做到 3.5)。RDL 密度輸給矽,但能做得更大、而且有彈性。
封裝尺寸已經是 AI 晶片的硬天花板。台積電的路線圖要從 3.3 個光罩一路推到 2029 年超過 14 個——那是矽中介層做不到的地方,也是整條先進封裝設備鏈接下來幾年的成長來源。
CoWoS = Chip on Wafer on Substrate,直譯就是「晶片疊在晶圓上,晶圓再放到載板上」。名字本身就是一張施工圖。
先說這張圖的兩個「不精確」,免得被誤導:① 垂直方向大幅誇大。真實的中介層薄到只有約 100 µm,而上面的邏輯晶粒約 675 µm——中介層其實比晶粒薄得多,這裡畫厚只是為了能把裡面的結構畫給你看。剖面示意圖幾乎都會這樣做,但值得先講明。② HBM 不是一塊實心晶片,是好幾顆 DRAM 疊在一顆邏輯晶粒上(圖中的橫線就是那些疊層),每一疊自己內部也有矽穿孔。
為什麼要多墊一層中介層?因為晶片上的接點太細、太密,直接焊到載板上對不準也接不住。中介層像一塊「轉接板」:上面用晶圓等級的細線路承接晶片,下面再用比較粗的 C4 銲球接到載板。訊號在封裝內部跑,距離短、根數多,頻寬與能效才上得去。
為什麼這張照片看得到封裝「裡面」?因為它是用近紅外線拍的。矽對可見光不透明,但對波長超過約 1,100 奈米的紅外線是半透明的——換句話說,紅外線可以穿過蓋在上面的矽,把底下的晶粒配置照出來。所以你看到的不是拆開的封裝,而是一次「透視」。
對照上面那張示意圖:中央最大的那塊是邏輯晶粒,左右各兩疊、表面帶規則方格紋路的是 HBM 堆疊,把它們全部框在裡面的那圈深色區域就是中介層,再外面那塊淺色方板是有機載板。P100 是台積電 CoWoS 早期最具代表性的產品之一,這就是 CoWoS-S 實際出貨的樣子。
為什麼用這張,而不是原廠產品照?因為 NVIDIA 官網與新聞中心的 P100 照片拍的是裝好蓋子的模組——蓋子一蓋,中介層就永遠看不到了,而中介層正是這篇的主角。這張紅外線穿透照是少數能同時把晶粒、HBM、中介層放進同一個畫面的影像,而且是 CC0 公眾領域,可以自由標註。原始檔案可自行查證:Wikimedia Commons 檔案頁。
把中介層放大來看,兩種做法的內部長得完全不一樣。左邊是一整塊矽,右邊是一疊塑膠與銅。
結構順序(由上而下)是查證過的:晶粒用銅柱微凸塊接到中介層正面;中介層的金屬佈線層在最上面;TSV 穿過矽本體把訊號帶到背面(業界慣例大約每顆 C4 銲球對應 2 個 TSV);接著整片被研磨薄化到約 100 µm,目的就是把 TSV 的底端露出來;最後在背面做 UBM 與 C4 銲球,接到有機載板。——那道「磨到 100 µm」的工序,正是第 08 節設備表裡研磨拋光機台的用武之地。
同樣提醒:兩張圖的垂直厚度都是誇大的,中介層實際比晶粒薄得多;HBM 畫成疊層才是它真正的樣子。
左圖的橫線代表矽中介層裡的金屬線路,直條是 TSV(矽穿孔)——在矽上鑽出上下貫通的導電孔,讓訊號與電源直接穿過中介層接到底下的載板。右圖沒有任何直穿結構,取而代之的是一層層的高分子介電層,銅線埋在層與層之間,靠短短的導通孔上下接力。兩張圖的差別,就是這篇文章的全部。
這張照片到底拍的是什麼?拍攝者的原始說明寫得很清楚:這是 P100 的中介層,而且是把上面的層一層一層剝掉(delayering)之後,露出最上層金屬(top metal)再拍的。所以你看到的不是「晶粒拆掉後的中介層原貌」,而是刻意剝到金屬層的剖面——那些深色不規則區域是剝除過程造成的,不是結構本身。
左圖畫的「極細金屬線路」很抽象,這張照片很具體:整片密到像織布,每一個點都是一個要對準、要接上、而且不能失敗的接點。這就是為什麼把中介層做大這麼困難。
順帶一個很有用的數字:拍攝者量到這片中介層是 40.2 × 29.0 mm ≈ 1,166 mm²、厚度只有 約 100 µm(比一張影印紙還薄);上面那顆 GP100 晶粒厚 675 µm。1,166 mm² 換算下來約 1.4 個光罩——離 CoWoS-S 的 3.3 光罩建議線還很遠,這就是 2016 年那一代的尺寸水準。
一個誠實的缺口:公開領域找不到品質相當的 RDL 中介層實拍照,所以右邊的 CoWoS-R 只有示意圖、沒有對照的真實照片。看到別處拿矽中介層的照片充當 RDL 的,那是張冠李戴。
矽中介層的線路密度沒有對手,代價是整塊都不能有瑕疵——只要有一個缺陷,整塊就報廢。封裝越做越大,這件事就越來越難。
晶圓廠的曝光機一次只能照出一塊固定大小的圖案,這塊面積就叫一個光罩尺寸(reticle size),業界標準是 26 × 33 mm,也就是 858 mm²。
晶片要比這更大怎麼辦?用光罩拼接(reticle stitching)——照完一塊挪一格再照一塊,把圖案接起來。台積電的 CoWoS-S 就是這樣把中介層推到約 3.3 個光罩、≈ 2,700 mm²。
所以之後看到「幾個光罩」,換算方式就是:光罩倍數 × 858 mm²。
中介層本身要進晶圓廠、走微影製程。面積一大,三件事同時惡化:
① 良率——晶圓上的缺陷是隨機散布的。同一片晶圓,切成小塊時壞一顆只損失一顆;做成一整塊超大中介層,任何一個缺陷都可能報銷整塊。
② 曝光與製程限制——尺寸受限於微影機台與晶圓處理能力。
③ 機械應力——大而硬的矽板,熱脹冷縮時應力無處可去。
原文的說法是:當封裝要塞進更多運算晶粒與 HBM 堆疊時,「做出一整塊無缺陷的矽中介層,變得越來越困難」。
這就是一片真的光罩——一塊鍍了鉻的石英玻璃板,上面刻著要投影到晶圓上的圖案。曝光機讓光穿過它,把中央那塊圖案區縮小投影到晶圓表面,一次一格、一格一格照過去。
你在照片中央看到的方格陣列,就是一次曝光的內容。這裡有個容易搞混的地方:玻璃板上的圖案是放大版的,現代曝光機通常以 4 倍縮小投影,所以板子上的圖案區比實際照到晶圓上的面積大 4 倍。真正決定上限的是投影「之後」的面積——業界標準約 26 × 33 mm。
左側邊緣還有一行直排小字:MADE IN TAIWAN。
照片:Peellden,CC BY-SA 3.0,來源 Wikimedia Commons(原圖未經修改)
這兩個字在台灣業界口語上幾乎混用,都講「光罩」,但嚴格說它們指的不是同一件事:
光罩(Photomask/Mask)是統稱。最原始的用法特指圖案能一次覆蓋整片晶圓的那種——光罩直接貼著或靠近晶圓曝光,圖案是 1:1 的。
倍縮光罩(Reticle)則是只覆蓋晶圓的一小塊、而且圖案被放大 4~10 倍(現代曝光機一般是 4 倍)的那種。曝光時透過投影鏡頭縮小打到晶圓上,照完一格、步進一格、再照下一格——所以這類機台叫步進機(stepper)。
先進製程用的全部是倍縮光罩。所以本文講的「一個光罩尺寸 26 × 33 mm」,精確講是倍縮光罩投影到晶圓上之後的曝光場面積,不是那片玻璃板本身的大小。台積電說 CoWoS-S 的「3.3 個光罩」,量的也是這個投影後的面積。
記法:光罩是類別,倍縮光罩是先進製程實際在用的那一種。中文兩者都叫「光罩」不算錯,但知道差在哪,看英文資料時才不會卡住。
兩個方塊是等比例畫的——右邊的面積正好是左邊的 3.3 倍,虛線就是拼接的接縫。算式:3.3 × 858 mm² ≈ 2,831 mm²;台積電官方寫「約 3.3 個光罩尺寸,或約 2,700 mm²」,實際可用面積因拼接與邊緣條件略小於理論值。
拿一顆真的產品對一下尺度:前面那顆 Tesla P100(2016 年)的中介層量起來是 40.2 × 29.0 mm ≈ 1,166 mm²,也就是約 1.4 個光罩——連建議線的一半都不到。十年之間,這個數字從 1.4 一路被推到 2027 年規劃的 9.5,中間那條路就是下面第 07 節的路線圖。
CoWoS-R 原本是為了「做更大」而生的,但它還附帶一個工程上的好處。只是這個好處有另一面——而那一面,剛好可以用一顆真實產品的封裝選擇來看。
封裝裡的每種材料受熱膨脹的幅度都不一樣(工程上叫 CTE 錯配,Coefficient of Thermal Expansion mismatch)。矽膨脹得少、有機載板膨脹得多,晶片每次開機發熱、關機冷卻,這個落差就要有人吸收。剛性的矽中介層自己不變形,落差就全部集中到 C4 銲點上;RDL 是塑膠與銅疊出來的,本身可以微幅變形,等於在中間放了一層緩衝。台積電的研究說法是:多層 RDL 可以當作應力緩衝,在大型異質封裝中提供良好的接點可靠度。
AMD($AMD)的 MI300 原始設計是走 CoWoS-R——也就是用有機的 RDL 中介層。最後出貨的版本改成了 CoWoS-S,而且是一片 3.5 個光罩的矽中介層,面積接近 NVIDIA H100 的兩倍。這兩件事都是 SemiAnalysis 明確寫出來的。
至於為什麼換——沒有官方說法。SemiAnalysis 的原文用的是「perhaps」:推測是這麼大尺寸的有機中介層會有翹曲(warpage)與熱穩定性的疑慮。這是該文作者的推論,AMD 與台積電都沒有公開證實過換路的原因。這裡照實寫,是因為推測和事實不該混在一起講。
不過即使只看「原本要用 -R、最後用 -S」這個已確認的事實,這一節的兩面也已經講完了:RDL 的柔性在理論上有利於接點可靠度,但柔性同時也代表整體結構的剛性下降——大面積、重量級的封裝壓上去,變形量控制反而更難。「有彈性」不等於「一定比較穩」,要看整包結構怎麼配。
後續的 MI350/MI355X 也繼續留在 CoWoS-S,封裝腳位(footprint)與 MI300 相同。
對,這裡有個看起來矛盾的地方,值得講清楚,因為它會改變你怎麼讀「上限」這兩個字。
台積電官方文件寫的是:CoWoS-S 可支援到約 3.3 個光罩尺寸(約 2,700 mm²);超過這個尺寸,建議改用 CoWoS-R 或 CoWoS-L。
但 MI300 實際出貨的 CoWoS-S 中介層是 3.5 個光罩。所以 3.3 不是一道物理上跨不過去的牆,而是台積電對這個平台公開的規格與建議線——線內是成熟、良率可預期的區間;跨過去做得出來,但難度、成本與良率風險都要自己扛。MI300 就是一個跨過去做出來的例子(SemiAnalysis 稱它「破紀錄」,正說明這不是常態)。
這也解釋了為什麼台積電後來要推 CoWoS-L:與其讓客戶硬做超大矽中介層,不如給一條專門為大尺寸設計的路。看到「上限」時,先問一句:這是物理極限,還是廠商的建議線?兩者的投資意涵完全不同。
把 -S、-R 放在一起,順便補上第三個版本 -L,因為現在最大的 AI 晶片都走它。
| 項目 | CoWoS-S | CoWoS-R | CoWoS-L |
|---|---|---|---|
| 中介層是什麼 | 整塊矽 | 高分子介電層+銅線(RDL) | RDL 裡嵌入小塊矽橋(LSI) |
| 字母代表 | Silicon 矽 | RDL 重佈線層 | LSI 局部矽互連 |
| 互連密度 | 最高 | 較低(最小線距 4 µm) | 需要密的地方才給矽橋 |
| 垂直穿孔 | 有 TSV | 無 | 無(走 RDL 與矽橋) |
| 內建電容 | 可(深溝槽電容 iCAP) | 不具備同等能力 | 視設計 |
| 機械特性 | 剛性高、不易變形 | 有彈性,可吸收熱應力 | 介於兩者之間 |
| 尺寸擴充 | 建議線 ≈ 3.3 光罩 ≈ 2,700 mm² 實測有 3.5 光罩出貨案例 | 可超過 3.3 光罩 | 可超過 3.3 光罩(首代 3.5 光罩) |
| 量產時間 | 2012 | 2023 | 2024(3.5 光罩世代) |
| 適合誰 | 要最高晶片↔記憶體通訊密度 | 要超大封裝、很多小晶片或記憶體堆疊 | 要超大封裝、但關鍵路徑仍要高密度 |
台積電自己的建議很直接:當需要的中介層超過約 3.3 個光罩尺寸時,改用 CoWoS-R 或 CoWoS-L。所以 -S 並沒有被淘汰,它只是被畫了一條尺寸線——線內用 -S,線外往 -R/-L 走。
原文對 -R 的評語值得留意:它的銅線佈線仍能提供良好的訊號與電源完整性,同時避開「必須做出一整塊超大矽中介層」這件事。密度雖然讓步,但不是便宜行事;而且大面積製造相對單純,這件事本身就是優勢。
規格表看久了會麻痺,直接對到你認得的晶片上。
| 晶片 | 公司 | 封裝 | 依據 |
|---|---|---|---|
| H100 / H200 | NVIDIA($NVDA) | CoWoS-S | 撐起 2023–2024 整波 AI 需求的封裝。MI300 的矽中介層被形容為「接近 H100 的兩倍大」,即以 H100 的矽中介層為比較基準。 |
| B100 / B200 / GB200 | NVIDIA($NVDA) | CoWoS-L | TechInsights 對 HGX B200 平台的拆解(2025/04)指出,GB100 是台積電 CoWoS-L 矽橋封裝的首度實裝;兩顆 4nm GPU 晶粒併封,面積接近 Hopper 的兩倍。 |
| MI300X | AMD($AMD) | CoWoS-S | SemiAnalysis 與 TechInsights 皆指為 CoWoS-S,中介層 3.5 個光罩;封裝 76.8 × 72.0 × 4.9 mm,並在 CoWoS 之上再用 SoIC 混合鍵合疊一層。原始設計是 CoWoS-R。 |
| MI350 / MI355X | AMD($AMD) | CoWoS-S | SemiAnalysis:AMD 在 AID 與 HBM 接合上「沿用已驗證的 CoWoS-S」,封裝腳位與 MI300 相同。 |
看得出一件事:當代最大的那顆 AI 晶片,走的是 -L 不是 -R。CoWoS-R 解決了「矽做不了那麼大」的問題,但 NVIDIA 需要的是「又大、關鍵路徑又要極密」——所以台積電給了第三個答案:把小塊矽橋埋進 RDL 裡,只在需要高密度的地方用矽。這也是為什麼理解 -S 與 -R 的取捨很重要:-L 就是這兩者的縫合。
另一件值得注意的事:這張表上沒有任何一顆走 CoWoS-R。CoWoS-R 自 2023 年量產至今,公開可查、明確指名採用它的旗艦 AI 加速器並不多——連原本要用它的 MI300 最後都換成了 -S。這不代表 -R 沒有用武之地,但在「最大最貴的那一顆」這個戰場上,勝出的是 -L。
本表只收錄有具名來源可查的機種。其他曾在媒體上以「傳出/規劃中」形式出現的變體(例如成本下修版本退回 -S 的說法)未列入——那類報導多為供應鏈風聲,未經拆解驗證。
封裝尺寸現在是 AI 晶片的硬天花板之一。台積電已經把未來幾年的階梯畫出來了。
3.3× 是 CoWoS-S 的上限,之後每一階都由 CoWoS-L 接手。2027 年的 9.5 光罩世代,光是載板就要 120 × 150 mm——比一張名片還大一圈。再往上,台積電已經在推下一個平台 CoPoS(Chip on Panel on Substrate),把載體從晶圓換成方形面板,目標 2027 年中試產。
中介層做得越大、層數越多,每一片要洗、要烤、要曝、要檢的次數就越多——設備需求不是跟著晶片數量走,是跟著製程步驟數走。
台積電擴 CoWoS 產能、並把部分製程委外,設備端同步受惠。以下為公開報導中被點名的名單與代號:
| 公司 | 代號 | 環節 | 在做什麼 |
|---|---|---|---|
| 台積電 | 2330 | 平台 | CoWoS 平台本身(-S/-R/-L)。擴產主力放在 CoWoS-L;CoWoS-S 以挪移設備的方式去瓶頸。 |
| 弘塑 | 3131 | 濕製程 | 晶圓清洗、光阻顯影等濕製程設備,CoWoS 早期階段的主力供應商之一。 |
| 辛耘 | 3583 | 濕製程・接合 | 中段濕製程,加上暫時接合/解接合(bonding/debonding)設備——薄化中介層時要先黏到載板上、做完再拆下來。供應台積南科與亞利桑那的 CoWoS 產能。 |
| 萬潤 | 6187 | 後段封裝 | 點膠、封膠、熱壓合機台;部分關鍵設備為台積獨家供應。點膠對應的正是前面講的底填與應力管理。 |
| 志聖 | 2467 | 熱製程 | 台灣熱製程設備龍頭,CoWoS 需要的壓合、貼膜、撕膜、烘烤都在它的守備範圍。領軍 G2C+ 聯盟。 |
| 均豪 | 5443 | 研磨・檢測 | 晶圓研磨拋光、表面檢測、自動搬運與晶圓再生。中介層要薄化到 100 µm 等級,研磨就是關鍵一步。 |
| 均華 | 6640 | 聯盟・Bonder | G2C+ 聯盟成員(與志聖、均豪、東捷交叉持股、技術分工),涵蓋壓合、貼膜、檢測、研磨拋光與 Bonder 設備。 |
| 致茂 | 2360 | 測試量測 | 精密檢測儀器與自動化量測。兩大主軸是電力電子測試與半導體及光子學測試,含高功耗晶片的系統級測試(SLT)與先進封裝晶圓量測系統。 |
| 由田 | 3455 | 光學檢測 | 自動光學檢測(AOI)設備廠,以機器視覺做高精度檢測,應用涵蓋 PCB/載板、半導體與先進封裝、面板。 |
| 牧德 | 3563 | 光學檢測 | 光學檢測設備,專長在 PCB 鑽孔與成型量測、線路檢查,以及 HDI 與 IC 載板檢查。 |
分工只列到公開報導支持的程度。濕製程由弘塑、辛耘為主是報導明確點名的;G2C+ 聯盟的分工來自志聖相關報導。迅得(6438)也出現在部分設備鏈名單上,但本文查不到它在先進封裝的具體機台分工,所以不列進表內。各家的營收結構請以公司財報與法說會為準,本文不引用二手來源的占比數字。
讀這張表的方式:中介層越大、層數越多,洗、烤、貼、磨、檢的次數就越多——設備需求跟著製程步驟數走,不是跟著晶片顆數走。這也是為什麼「光罩倍數往上跳一階」對這排公司是實質訂單,而不只是新聞標題。
① -S 與 -L 的產能配比。報導指出台積電積極擴充的是 CoWoS-L,CoWoS-S 則以挪移設備的方式去瓶頸。同樣叫「CoWoS 產能」,兩邊的資本支出強度與設備需求並不一樣。
② 光罩倍數每往上一階,是誰的訂單。尺寸越大,載板、檢測、搬運的難度都是非線性上升——這一階一階的路線圖,本身就是設備鏈的時間表。
③ CoPoS 的 2027 年中試產。載體從圓形晶圓換成方形面板,等於換一整套設備思路。這是下一個岔路口。
這篇的關鍵詞,一句話版。
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同系列篇章:封裝尺寸是硬天花板之一,那篇講的是撞到天花板之後,戰場怎麼往機櫃層級移動。