TSMCのCoPoSへの進化

この記事で分かること

TSMCのCoPoSへの進化

　TSMCの先端パッケージング技術が「CoWoS（Chip on Wafer on Substrate）」から「CoPoS（Chip on Panel on Substrate）」へと進化している動きは、AIチップの巨大化とコスト低減という2つの大きな課題を解決するための戦略的な転換です。

　丸いシリコンウェハの制約を脱し、四角い大型パネルを採用することで、一度に生産できるチップ数を増やし、さらなる巨大チップの統合を可能にする技術です。

CoPoSとは何か

　CoPoS (Chip on Panel on Substrate) は、TSMCが開発を進めている次世代の「パネルレベル」先端パッケージング技術のことです。

　現在主流のCoWoS（Chip on Wafer on Substrate）が「円形のシリコンウェハ」を使ってチップを組み立てるのに対し、CoPoSは「大型の四角いパネル」を使って組み立てる技術を指します。

1. 「円」から「四角」への転換

　従来のCoWoSでは、直径300mmの円形ウェハの上にチップを並べて封止します。しかし、チップが四角い以上、円の端（エッジ）にはどうしても使えない無駄なスペースが生まれます。

　CoPoSでは、長方形や正方形の巨大なパネル（例：515mm × 510mm以上など）を使用するため、面積の利用効率が飛躍的に向上し、一度に製造できるチップの数を大幅に増やすことができます。

2. AIチップの「巨大化」への対応

　NVIDIAのBlackwellのような最新のAI半導体は、演算ユニットの周りに大量のHBM（高帯域幅メモリ）を配置するため、チップ全体のサイズが非常に大きくなっています。

• CoWoSの限界: 円形ウェハのサイズ制約により、巨大なチップを一度に多く載せることが物理的に難しくなっています。
• CoPoSの強み: パネルサイズを大きくすることで、将来的にさらに多くのHBMを統合した「モンスター級チップ」を、効率よくパッケージングすることが可能になります。

3. FOPLP（Fan-Out Panel Level Packaging）の進化形

　CoPoSは、業界で一般的にFOPLPと呼ばれる技術のTSMC版とも言えますが、単なる低コスト化のためのパネル化ではありません。

　CoWoSで培った「インターポーザ（チップ間を結ぶ高密度回路層）」の技術をパネルレベルに移植することで、高い性能を維持したまま、大面積化とコストダウンを両立させることを目指しています。

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なぜ今、注目されているのか？

　現在、AI需要の爆発によってCoWoSの生産能力が世界的に不足しています。TSMCは既存のCoWoSの増産（CoWoS-LやCoWoS-Rなど）で対応していますが、

　2020年代後半から30年代にかけて、さらなる低コスト化と巨大チップへの要求に応えるため、この「パネルレベルへの移行（CoPoS）」が不可欠なステップと見なされています。

• 開発段階: 現在は研究開発および試験ラインの構築フェーズです。
• 量産見通し: 2027年〜2028年以降、あるいは技術的な難易度（パネルの反り対策など）から2030年頃になると予想されています。

　これまでシリコンウェハ中心だった半導体後工程の「装置」や「材料（樹脂やガラス基板、フォトレジストなど）」の常識を塗り替える可能性を秘めた、極めて重要な技術転換点と言えます。

なぜこれまで円形だったのか

　半導体において「円形（ウェハ）」が標準だったのには、シリコンの作り方と製造工程上の物理的な合理性という2つの大きな理由があります。

1. 結晶の作り方が「回転」を伴うため

　シリコンウェハの材料となる単結晶シリコンは、チョクラルスキー法（CZ法）という手法で作られます。これは、高温で溶かしたシリコンの中に「種結晶」を浸し、ゆっくりと回転させながら引き上げる方法です。

• 回転させながら引き上げると、重力と表面張力のバランスにより、自然と円柱状の塊（インゴット）が出来上がります。
• この円柱を薄くスライスするため、必然的にウェハは「円形」になります。

2. 製造工程での「均一性」を保つため

　半導体を作る際、ウェハの上に薄い膜を塗ったり（スピンコート）、表面を研磨したり（CMP）する工程があります。

• スピンコート: ウェハを高速回転させて遠心力で液体（レジスト液など）を広げる際、円形であれば中心から外周まで均一に膜が広がります。四角形だと四隅に液体が溜まったり、気流が乱れたりして、厚みにムラが生じてしまいます。
• 物理的な強度: 円形は応力が均等に分散されるため、熱処理や搬送中に割れたり欠けたりしにくいという利点があります。四角形は角の部分にストレスが集中し、欠陥の原因になりやすいのです。

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　「シリコンを育てる・回路を描く」には円が最適でしたが、「巨大なチップを効率よく詰め込む」には四角が有利になったため、パッケージング工程において「パネル（CoPoS）」への進化が始まっているのです。

四角に変更する難しさは何か

　四角形（パネル）への変更には、これまでの「円形ウェハ」という前提を覆す物理的・技術的な3つの高い壁が存在します。

1. 「反り（ワーパージ）」の制御が困難

　これが最大の技術的障壁です。

• 熱膨張の差: パネル上に複数のチップや材料を載せて加熱処理を行う際、四角いパネルは円形に比べて熱によるストレスが四隅に集中しやすく、大きく「反り」が発生します。
• 精度の低下: わずかな反りがあるだけで、後続の露光プロセスでピントが合わなくなったり、チップ間の配線が切れたりする原因になります。

2. 工程の「均一性」の維持

　これまでの円形ウェハは、回転させて液体を広げる「スピンコート」で均一な膜を作ってきました。

• 四隅の問題: 四角いパネルを回転させると、角の部分で気流が乱れ、液だまりや膜厚のムラが生じます。
• 新手法の必要性: スリットノズルから液を出す方式など、回転に頼らない新しい塗布・洗浄技術を確立しなければなりません。

3. 製造インフラの全面刷新

　半導体業界の装置や搬送ロボットは、過去数十年にわたり「300mmの円形ウェハ」に合わせて最適化されてきました。

• 設備投資: 露光装置、エッチング装置、検査装置、さらには搬送用の容器（FOUP）に至るまで、すべてを巨大な四角いパネルに対応した新しい規格（PLP用設備）へ作り替える必要があり、巨額のコストと時間がかかります。

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