SiC深度一：先进封装：英伟达、台积电未来的材料之选

先进封装：英伟达、台积电未来的材料之选 戚舒扬(SAC NO:S1120523110001)卜灿华(SAC NO:S1120524120006) 2025年11月5日 摘要 根据行家说三代半，9月2日，据中国台湾媒体报道，英伟达正计划在新一代GPU芯片的先进封装环节中采用12英寸碳化硅衬底，最晚将在2027年导入。 •解决CoWoS封装散热问题成为AI算力芯片发展重要课题 根据《高算力Chiplet的热管理技术研究进展》，集成电路发展受到“功耗墙”的严重制约。英伟达和AMD在追求算力大幅提升的情况下，不得不继续提高芯片功率。主流算力芯片基本标配CoWoS封装，尤其英伟达算力芯片全部使用CoWoS封装。因此我们认为AI算力芯片的发展亟需解决CoWoS封装散热的难题。 •SiC有望成为未来CoWoS发展中Interposer最优解 CoWoS核心价值在于interposer（中介层）的连通作用，Interposer当前与未来面临热管理、结构刚性等难题。根据北京大学、Nature等相关论文，当前的Si和玻璃在材料特性上不及SiC与金刚石，而金刚石仍难以匹配芯片制造工艺，因此我们判断，因为SiC在性能与可行性两方面的优势，有望成为未来CoWoSinterposer的最适宜替代材料。 •如CoWoS未来采用SiC，中国大陆SiC产业链有望重点受益 如CoWoS未来将Interposer替换为SiC，且如按CoWoS28年后35%复合增长率和70%替换SiC来推演，则30年对应需要超230万片12吋SiC衬底，等效约为920万片6吋，远超当前产能供给。而中国大陆SiC具备投资规模、生产成本、下游支持的三大优势，未来有望重点受益。 投资建议 虽然材料替换仍需产业和技术的进一步推进，但我们认为趋势上SiC有较大的可能获得一个全新巨大的增长机遇，SiC衬底与设备公司有望重点受益。受益标的：晶盛机电、晶升股份、天岳先进、三安光电、通威股份、天富能源、华纬科技、宇晶股份等。 风险提示 新技术推进不及预期、行业竞争加剧、地缘政治风险等。 目录 一、英伟达、台积电考虑使用SiC作为未来先进封装中介层 二、为何英伟达和台积电亟需解决CoWoS散热问题三、为何SiC成为CoWoS interposer主要考虑对象四、为何中国大陆SiC有望重点受益五、SiC衬底、设备相关企业概况六、投资建议七、风险提示 英伟达、台积电有望在未来的先进封装中使用SiC •根据行家说三代半，9月2日，据中国台湾媒体报道，英伟达正计划在新一代GPU芯片的先进封装环节中采用12英寸碳化硅衬底，最晚将在2027年导入。 图：Interposer（中介层）是CoWoS封装中重要组成 SiC要替代的硅中介层（Silicon Interposer）是CoWoS封装平台的核心部件之一。它是一片面积很大的硅片，硅片内部有许多互连线（TSV硅通孔和布线），负责将这些小芯片彼此连接，并与封装基板连接。 台积电广发英雄帖布局SiC，产业信息接踵而至 •近期相关报道频出，我们认为可能是台积电期待产业链共同配合推进。根据芯智讯，近期半导体业界传出消息称，台积电正广发“英雄帖”，号召设备厂与化合物半导体相关厂商参与，计划将12英单晶碳化硅（SiC）应用于散热载板，取代传统的氧化铝、蓝宝石基板或陶瓷基板。 集邦9月5日 Semi-Asia9月19日 •过去SiC几乎与电动车功率元件划上等号。然而，台积电正推动SiC跨入新应用，例如导电型N型SiC作为散热基板，在高效能处理器、AI加速器中承担热扩散角色；或者半绝缘型SiC为中介层（Interposer），以在芯片分割与chiplet设计，提供电性隔离与热传导兼顾的解决方案。这些新路径，意味着SiC不再只是“电力电子的代名词”，而是将成为AI与数据中心芯片“热管理骨干”的基石材料。 •以往碳化硅主要应用在功率半导体、车用及储能领域，如今已进入新发展阶段，例如在AR智能眼镜（AR Lens）镜片及高端3D IC封装中，需要碳化硅作为散热材料，尤其是应用在散热载板这个部分。•其中，3D IC封装的碳化硅应用有两个可能方向，首先是散热载板，将以「导电型SiC」优先测试；下一阶段则可能在硅中间层（Silicon Interposer）导入半绝缘型SiC。 集微9月6日 与非网9月28日 •在传统应用市场进入调整期之际，AI领域为碳化硅带来了意料之外的新机遇。9月5日，据报道，为提升性能，英伟达在新一代Rubin处理器的开发蓝图中，计划把CoWoS先进封装环节的中间基板材料由硅换成碳化硅。目前台积电邀请各大厂商共同研发碳化硅中间基板的制造技术。英伟达第一代Rubin GPU仍会采用硅中间基板，不过据该公司计划，最晚2027年，碳化硅就会进入先进封装。•碳化硅还被发现可以应用在数据中心中。5月20日，英伟达宣布， 该公司将率先向800V HVDC数据中心电力基础设施过渡，并与英飞凌和纳微达成了相关合作，意图进一步降低数据中心电源能耗。据报道，这次电源架构的革新将需要采用大量的碳化硅和氮化镓器件。 •英伟达的AI芯片（如H100、H200）采用台积电的CoWoS先进封装技术，通过硅中介层集成多个芯片和高带宽内存（HBM）。然而，随着算力提升，芯片功耗和发热急剧增加。例如，H100的峰值功耗已超过700W，而HBM堆叠层数的增加进一步加剧了散热压力。传统硅中介层的热导率已难以满足需求，而SiC的热导率是硅的2-3倍，成为替代材料的理想选择。英伟达计划在下一代Rubin处理器的CoWoS封装中，逐步用SiC中介层替代硅基材料。SiC不仅能提升散热效率，还可通过非直线高深宽比通孔设计优化布线密度，缩短互连长度，从而提升芯片性能和小型化水平。目前该技术仍处于研发阶段。第一代Rubin GPU预计仍采用硅中介层，但台积电已联合设备厂商开发配套的激光切割设备。行业预计，最晚到2027年，随着设备到位和技术成熟，SiC将正式导入量产。 中国台湾股市反应强烈，A股SiC板块仍处于相对低位 •根据知新闻9月17日报道，汉磊及嘉晶近期受惠碳化硅转机题材大涨，今日同步亮登涨停。•根据Wind数据显示，中国台湾股市SiC相关标的在九月涨幅显著，其中嘉晶更是连续4天涨停。•回顾22年至今，A股SiC板块经历了较长时间的下行期，我们认为板块整体处于相对低位。 目录 一、英伟达、台积电考虑使用SiC作为未来先进封装中介层 二、为何英伟达和台积电亟需解决CoWoS散热问题 三、为何SiC成为CoWoS interposer主要考虑对象四、为何中国大陆SiC有望重点受益五、SiC衬底、设备相关企业概况六、投资建议七、风险提示 英伟达算力芯片功率持续上升，对散热提出更高要求 •根据Nvidia、KAIST、tomshardware，以单die维度，H100单位面积功率约0.86w/mm²，Rubin约1.1w/mm²，下一代Feynman约1.2w/mm²，未来的架构甚至将冲高至2w/mm²，将是H100的233%。•我们认为伴随着多die和更多HBM的设计，热传导的压力进一步加大，材料中的热导率等性能变得更加关键。 芯片发展遭遇“功耗墙”制约，散热是核心制约之一 •根据《高算力Chiplet的热管理技术研究进展》，在微处理器40多年的发展中，晶体管数量呈指数级增加，但是典型的热设计功耗（TDP）在最近20年基本保持在100~200W，导致芯片性能提升缓慢，集成电路发展受到“功耗墙”的严重制约。相比于SoC，基于异质集成先进封装的Chiplet可以实现更大面积、更多功能、更高密度的芯片集成，但也导致总热功耗增加、热分布不均、封装中的热输运困难，同时存在严重的多物理场耦合效应，给热管理带来了更加严峻的挑战。•根据Yole，英伟达和AMD在追求算力大幅提升的情况下，不得不继续提高芯片功率。 AI芯片与HBM存储紧密结合，热量堆积可能产生更多问题 •根据Nature，硅基器件中的热传输基础为了冷却产生的热点，热量必须从产生点或局部最大值沿着系统中的热梯度转移。热传递的两个最重要的材料属性是热容和热导率。传统层间介电材料提供的热绝缘进一步阻碍了散热，恶化了局部热点问题。这些挑战会导致结温升高、器件性能下降以及过早失效的可能性增大。 •根据三星电子相关论文，HBM的温度升高可归因于环境温升（32%）、HBM自身热阻（19%）、HBM上方散热环境（约11%）以及来自ASIC的热耦合（38%）。 AI芯片因高速链接需求，基本上离不开CoWoS封装 •根据Semianalysis，HBM和CoWoS是互补的。HBM的高焊盘数量和短走线长度要求需要像CoWoS这样的2.5D先进封装技术来实现在PCB甚至封装基板上无法完成的如此密集、短的连接。CoWoS是主流的封装技术，以合理的成本提供最高的互连密度和最大的封装尺寸。由于目前几乎所有的HBM系统都封装在CoWoS上，并且所有先进的AI加速器都使用HBM，因此推论几乎所有领先的数据中心GPU都由台积电封装在CoWoS上。 •根据半导体产业纵横，HBM（高带宽内存）已是AI芯片的标配，但它不是随便一个封装就能适配。HBM必须与处理器核心超近距离、高带宽连接，这需要极密的走线与超短的连接距离。CoWoS通过中介层提供这样的环境，让HBM的带宽（最高可达3.6TB/s）发挥到极致。 在高功率趋势下，CoWoS中介层已面临多项挑战 •根据Semianalysis 24年8月的报道，Blackwell家族在实现大批量生产方面遇到了重大问题。由于台积电的封装问题和英伟达的设计，原始Blackwell封装的供应受到限制。Blackwell封装是第一个采用台积电CoWoS-L技术封装的大批量设计。•根据Semianalysis，CoWoS-L是一项更复杂的技术，出现了各种各样的问题。其中一种是与在中介层中嵌入多个Bump有关，在有机中介层内会导致各模块之间的热膨胀系数（CTE）不匹配，从而导致翘曲。 结论梳理：解决CoWoS封装散热问题成为AI算力芯片发展重要课题 •根据《大功率电力电子器件散热研究综述》，当前大功率电力电子器件正朝着高功率水平、高集成度的方向发展，因此散热问题不可避免的受到关注。已有研究表明，半导体芯片的温度每升高10℃，芯片的可靠性就会降低一半，器件的工作温度越高，器件的生命周期越短。 散热问题持续制约芯片发展 解决CoWoS 目录 一、英伟达、台积电考虑使用SiC作为未来先进封装中介层 二、为何英伟达和台积电亟需解决CoWoS散热问题 三、为何SiC成为CoWoS interposer主要考虑对象 四、为何中国大陆SiC有望重点受益 五、SiC衬底、设备相关企业概况 六、投资建议 CoWoS成为算力发展关键技术，英伟达表示其无可替代 •根据《Reliability Improvement Research of 2.5D CoWoS package》，2.5D CoWoS封装采用中介层互连技术，使用C2W（芯片到晶圆）技术将ASIC、HBM和中介层连接为一个整体，再与基板连接，实现芯片、中介层和基板之间的互连。CoWoS技术旨在实现更高集成度、更小封装尺寸、更短互连路径，以优化线宽和间距利用，提高传输速率，降低损耗和延迟。•根据天天IC，英伟达CEO黄仁勋在今年5月的采访中表示，CoWoS是非常先进的技术，“在目前除了CoWoS，我们无法有其他选 择”。 CoWoS制造流程 •根据Semianalysis，Interposer（中介层）的制造类似于传统的前端晶圆制造。 TSV制造完成后，在晶圆的顶部形成再分布层（RDL）。将RDL视为将各种有源芯片连接在一起的多层电线。每个RDL由一个较小的过孔和实际的RDL组成。 通过PECVD沉积二氧化硅（SiO2），然后涂覆光刻胶并使用光刻对RDL进行图案化，然后使用反应离子蚀刻去除