為了AI，硅基板變“方”了

作者：六千

近日，三菱材料宣布開(kāi)發(fā)出世界最大矩形硅基板，計(jì)劃于 2025 年開(kāi)始小規(guī)模生產(chǎn)。據(jù)三菱材料介紹，該公司生產(chǎn)的最大尺寸為 600mm x 600mm。其他尺寸包括 300mm x 300mm 和 510mm x 515mm，厚度略大于 0.8mm。

事實(shí)上不僅三菱材料，今年六月，有報(bào)道指出臺(tái)積電也在開(kāi)發(fā)矩形基板。臺(tái)積電正在試驗(yàn)的矩形基板尺寸同樣為510mm x 515mm（與三菱材料其中一款尺寸相同）。一直以來(lái)，人們熟悉的硅基板都是圓形，為何產(chǎn)業(yè)刮起了矩形基板的趨勢(shì)？總的來(lái)說(shuō)，矩形基板可以節(jié)省成本。

據(jù)了解，矩形基板的可用面積是圓形晶圓的三倍多。同時(shí)，采用矩形基板的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是邊緣剩余的未使用面積會(huì)更少，可以極大提升材料的利用率。那么，這是否意味著過(guò)去我們印象中的圓形基板將被取代？要知道從圓形轉(zhuǎn)向矩形對(duì)于整個(gè)晶圓制造產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)是相當(dāng)大的更新工程。

?01、矩形基板顛覆晶圓制造

晶圓為什么不是晶方？答案藏在芯片制造的多個(gè)環(huán)節(jié)中。

從前道工藝來(lái)看，晶圓的形狀有一些優(yōu)勢(shì)，但是芯片產(chǎn)品本身都是矩形的。圓形的基板在經(jīng)過(guò)切割后，會(huì)有相當(dāng)多的材料被浪費(fèi)。這里討論一下為什么芯片是矩形的。從切割的角度來(lái)說(shuō)，硅基板上的 IC 上的所有特征基本上都遵循硅的晶體結(jié)構(gòu)，即立方體。因此，方形芯片可以高效、干凈地切割，因?yàn)槿魏味秳?dòng)都可能導(dǎo)致沿切割線的裂紋擴(kuò)展。

如果芯片是三角形的，那么就需要將晶圓切割成 3 個(gè)不同的角度（而不是 2 個(gè)）。而這一過(guò)程意味著需要進(jìn)行大量更改，并且需要大量工作才能將芯片粘合到 IC 封裝的框架上。每個(gè)其他三角形芯片都必須旋轉(zhuǎn) 180 度，或者每個(gè)其他框架都需要旋轉(zhuǎn) 180 度。這樣的更改將極大地增加工藝成本與制造時(shí)間。因此芯片的形狀基本不會(huì)有改變。

那么為什么基板大部分是圓形呢？從制造的源頭看這與硅晶體制造的工藝柴可拉斯基法密切相關(guān)。1916 年波蘭科學(xué)家Jan Czochralski（揚(yáng)·柴可拉斯基）在研究金屬的結(jié)晶速率時(shí)發(fā)明的晶體生長(zhǎng)方法，這種方法還被稱作“直拉法”。

通過(guò)這個(gè)方法，可以獲取半導(dǎo)體（如硅、鍺和砷化鎵等）、金屬（如鈀、鉑、銀、金等）、鹽、合成寶石單晶材料的晶體。這個(gè)過(guò)程需要將高純度的半導(dǎo)體級(jí)多晶硅置于坩堝中加熱至熔融狀態(tài)。隨后，通過(guò)精確控制，將硼原子和磷原子等雜質(zhì)原子定量摻入熔融硅中，以此將硅轉(zhuǎn)變?yōu)镻型或N型硅，這一摻雜步驟改變了硅的電學(xué)特性。

在此之后，被稱為“晶種”或“籽晶”的起始晶體被置于一根精確定向的棒的末端，該末端隨后被浸入熔融硅中。隨后，通過(guò)緩慢且控制地向上提拉這根棒，同時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，可以促使單晶硅在棒的末端“生長(zhǎng)”。此過(guò)程中，對(duì)棒的溫度梯度、提拉速率及旋轉(zhuǎn)速率的精確調(diào)控至關(guān)重要，它們共同決定了能否在末端形成一根大尺寸的圓柱狀單晶硅錠。整個(gè)操作通常在惰性氣體（如氬氣）環(huán)境中進(jìn)行，以防止外界雜質(zhì)干擾，這一過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作決定了硅晶體生長(zhǎng)成了圓柱形的硅棒。而在芯片制作的過(guò)程中，許多工藝都會(huì)借助“旋轉(zhuǎn)”的動(dòng)作。

在光刻的過(guò)程中，光刻膠布膠也是在晶圓高速旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中進(jìn)行的。借助高速旋轉(zhuǎn)，光刻膠在晶圓的表面進(jìn)行擴(kuò)散，多余的光刻膠可以被甩出晶圓表面。處理除圓形以外的任何其他形狀的晶圓都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。干蝕刻永遠(yuǎn)無(wú)法在規(guī)格范圍內(nèi)獲得角落的均勻性。腔室無(wú)法正常工作。就標(biāo)準(zhǔn) RIE 工藝而言，需要制造一個(gè)具有約 800 mm工藝面積的工藝腔室才能使其工作。這在短期內(nèi)是不可能的。

ASML 的當(dāng)前高端機(jī)器都無(wú)法處理方形晶圓，更不用說(shuō)直徑大于標(biāo)準(zhǔn) 12 英寸晶圓 200 mm以上的方形晶圓了。從工藝上來(lái)講，制成方形并非不可能。畢竟，太陽(yáng)能光伏的基板都是矩形的。但需要更新工藝的每個(gè)步驟和生產(chǎn)線以適應(yīng)這種不同的形狀。為了提高產(chǎn)量而進(jìn)行的任何工藝改變真的值得嗎？改變工藝本身就是一種損失。從圓形邊緣剪掉的少量廢料并不是大多數(shù)芯片成本的重要因素。

有這些因素讓“晶圓”成為結(jié)果，為什么2024 年“晶方”成為了市場(chǎng)的新突破？答案依舊是成本。

?02矩形基板將用于先進(jìn)封裝

無(wú)論是臺(tái)積電還是三菱材料的矩形基板產(chǎn)品，他們的最終用途都指向了先進(jìn)封裝。下一代半導(dǎo)體封裝技術(shù)正朝著更大的 100 mm x 100 mm方形格式發(fā)展。傳統(tǒng)的晶圓級(jí)封裝 (WLP) 使用 12 英寸硅晶圓作為半導(dǎo)體芯片的載體基板，圓形的基板就會(huì)涉及切割后邊緣材料的浪費(fèi)。為了適應(yīng)更大的矩形載體基板，需要在載體基板上進(jìn)行更大的封裝。然而，用單晶硅生產(chǎn)大型基板在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性。因此，開(kāi)發(fā)了面板級(jí)封裝 (PLP)，使用大型玻璃板作為載體基板。

目前，玻璃材料的剛性和熱導(dǎo)率較低，在重新分布層 (RDL) 形成過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致翹曲。三菱材料表示新開(kāi)發(fā)的大面積矩形硅基板可以解決這些問(wèn)題。新基板具有更高的剛性和導(dǎo)熱性，可減少 RDL 形成過(guò)程中的翹曲。新開(kāi)發(fā)的矩形基板可用作半導(dǎo)體制造工藝中的載體基板，以及半導(dǎo)體封裝中的中介層材料。就矩形基板來(lái)說(shuō)，臺(tái)積電也在與設(shè)備及原物料供應(yīng)商合作研發(fā)新的芯片封裝技術(shù)，但需要費(fèi)時(shí)數(shù)年才能推動(dòng)商業(yè)化量產(chǎn)。

除了材料翹曲的問(wèn)題，臺(tái)積電已經(jīng)在新形狀基板上的尖端芯片封裝中遇到了一些技術(shù)挑戰(zhàn)，比如在涂覆光刻膠方面。面對(duì)如此多的技術(shù)挑戰(zhàn)，為何巨頭們還要費(fèi)心研究呢？這與 AI 市場(chǎng)迅速發(fā)展，帶動(dòng)FOPLP市場(chǎng)息息相關(guān)。三星電子于 2019 年從三星電機(jī)手中收購(gòu)了扇出型封裝業(yè)務(wù)，并已將其商業(yè)化。三星電子表示，AI 半導(dǎo)體芯片（帶有電路的矩形部件）的尺寸通常為 600mm x 600mm 或 800mm x 800mm，因此需要 PLP 之類的技術(shù)，三星目前正積極開(kāi)發(fā)并加強(qiáng)和客戶合作。

隨后業(yè)內(nèi)人士透露，臺(tái)積電正大力開(kāi)發(fā)引入矩形PCB封裝來(lái)替代傳統(tǒng)圓形晶圓的技術(shù)。臺(tái)如前文所說(shuō)，利用矩形晶圓取代傳統(tǒng)圓形晶圓，可減少晶圓圓邊的浪費(fèi)，從而生產(chǎn)出更多的半導(dǎo)體封裝。三星電子目前仍只在某些工藝中使用這項(xiàng)技術(shù)，臺(tái)積電隨時(shí)都有可能趕超三星電子。

對(duì)于三星電子來(lái)說(shuō)，如果臺(tái)積電在這一領(lǐng)域趕超，則可能在產(chǎn)能上落后。尤其是在亞 1nm 超精細(xì)工藝技術(shù)已達(dá)到極限的情況下，矩形 PCB 封裝技術(shù)有望成為決定半導(dǎo)體芯片產(chǎn)能的關(guān)鍵因素。隨著 AI 半導(dǎo)體需求激增，產(chǎn)能變得愈發(fā)關(guān)鍵，率先采用矩形 PCB 封裝技術(shù)的半導(dǎo)體公司有望在 AI 市場(chǎng)取得戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)。

Yole Group 表示，整個(gè)扇出型封裝市場(chǎng)，F(xiàn)OWLP 仍然是主流載體類型，而 FOPLP 仍被視為小眾市場(chǎng)。Yole Intelligence 估計(jì)，2022 年 FOPLP 市場(chǎng)規(guī)模約為 4100 萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)未來(lái)五年將呈現(xiàn) 32.5% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率，到 2028 年將增長(zhǎng)至 2.21 億美元。

FOPLP 的采用將比整體扇出型市場(chǎng)增長(zhǎng)更快，其相對(duì)于 FOWLP 的市場(chǎng)份額將從 2022 年的 2% 上升至 2028 年的 8%。這意味著，隨著更多面板生產(chǎn)線的推出以及更高的良率帶來(lái)更好的成本效益，F(xiàn)OPLP 有望在未來(lái)幾年實(shí)現(xiàn)增長(zhǎng)。

?03業(yè)內(nèi)人士看矩形基板的挑戰(zhàn)

挑戰(zhàn)一：說(shuō)服客戶使用新技術(shù)

對(duì)于半導(dǎo)體供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，從晶圓級(jí)扇出轉(zhuǎn)向面板級(jí)扇出的臨界點(diǎn)取決于風(fēng)險(xiǎn)和成本。FOPLP 需要以低得多的成本生產(chǎn)出與 FOWLP 產(chǎn)量相當(dāng)?shù)膯卧??！熬A扇出技術(shù)比面板技術(shù)出現(xiàn)得早，”PowerTech Technology Inc. 營(yíng)銷總監(jiān) Daniel Fann 表示。“除非有緊急需要，否則說(shuō)服我們的客戶評(píng)估面板扇出是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。此外，我們需要證明面板扇出具有與晶圓扇出類似的生產(chǎn)產(chǎn)量?！?/p>

挑戰(zhàn)二：目前工藝更適合圓形基板

Bernstein Research 的半導(dǎo)體分析師 Mark Li 表示，F(xiàn)OPLP趨勢(shì)是肯定的，因?yàn)?AI 芯片組將需要每個(gè)封裝容納越來(lái)越多的芯片。隨著芯片制造商從用于 AI 數(shù)據(jù)中心計(jì)算的芯片中榨取更多的計(jì)算能力，封裝尺寸只會(huì)越來(lái)越大。但這仍處于早期階段。例如，在新形狀的基板上涂覆尖端芯片封裝中的光刻膠是瓶頸之一。需要像臺(tái)積電這樣的芯片制造商的雄厚財(cái)力來(lái)推動(dòng)設(shè)備制造商改變?cè)O(shè)備設(shè)計(jì)。

Amkor晶圓服務(wù)業(yè)務(wù)部高級(jí)副總裁 Doug Scott 表示，一般來(lái)說(shuō)，F(xiàn)OPLP 使用方形或矩形支撐面板，因此任何旋涂技術(shù)都需要用層壓或噴涂來(lái)取代，與成熟的圓形 300 毫米面板相比，非圓形大型面板的金屬沉積、電鍍和蝕刻工藝均勻性需要保持一致。面板預(yù)處理和后處理也需要定義，具體取決于 FOPLP 處理的方式和工藝步驟。

總的來(lái)說(shuō)，處理矩形基板的轉(zhuǎn)變需要對(duì)設(shè)施進(jìn)行大規(guī)模改造，包括升級(jí)機(jī)械臂和自動(dòng)化物料處理系統(tǒng)，以處理不同形狀的基板。這可能是一項(xiàng)跨越 5 到 10 年的長(zhǎng)期計(jì)劃。短期內(nèi)，圓形基板還不用太“方”。