先端パッケージングとは｜HBM・CoWoS・チップレット・TSVの仕組みを解説

ポイント

なぜ先端パッケージングが必要になったのか

ムーアの法則による微細化が物理的・経済的な限界に近づく中、チップの性能向上を維持するための手段として先端パッケージングが注目されています。単一の大型チップを作るよりも、機能別に分割した小型チップを最適な製造プロセスで作り、後から1つに統合する方が、歩留まり・コスト・設計効率で有利になります。特にAIモデルの大規模化に伴うメモリ帯域幅需要の急増が、HBMやCoWoSといった先端パッケージング技術の普及を加速しています。

TSV（シリコン貫通電極）とは

TSV（Through Silicon Via）は、シリコンウェハを垂直に貫通する微細な孔に銅を埋め込んだ垂直配線です。積層したチップを上下方向に直接電気接続することで、ワイヤボンドの何百分の一の長さで信号を伝達できます。HBMはこのTSVで複数のDRAMダイとベースダイを積層し、超広帯域のメモリを実現しています。TSV形成には、DRIEによる深堀り→絶縁膜成膜→銅めっき→CMP平坦化という複数の装置が連携する複雑な工程が必要です。

ハイブリッドボンディングとは

ハイブリッドボンディングは、銅（Cu）電極の直接金属接合と絶縁膜の直接接合を同時に行うバンプレス接合技術です。フリップチップのようなはんだバンプを使わないため、接続ピッチを数μm以下まで縮小できます。TSMCのSoIC（System on Integrated Chips）やSamsung X-CubingなどGAA世代の3D IC実装で採用が拡大しており、HBMの次世代版にも応用が期待されています。

CoWoSとインターポーザー実装

CoWoS（Chip on Wafer on Substrate）はTSMCが開発した2.5D先端パッケージング技術で、シリコンインターポーザー上にロジックチップとHBMを並べて実装します。インターポーザー内の微細配線でチップ間を高帯域幅接続でき、NVIDIA H100・H200・B100など主要AI GPUに採用されています。シリコンインターポーザー（CoWoS-S）のほか、コスト削減版のCoWoS-R（有機基板）・CoWoS-L（ガラスブリッジ）も展開されています。

チップレットとは

チップレット（Chiplet）は機能別に分割した小型のダイです。CPU・GPU・I-O・メモリコントローラーなどを別々に製造し、パッケージ内で接続して1つのプロセッサとして動作させます。AMDのEPYC（Zen）やIntelのMeteor Lake、NVIDIAのBlackwellアーキテクチャなどに採用されています。チップレット間の接続にはUCIeなどの標準インターフェース規格の整備が進んでいます。

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