先进封装从晶圆转向面板级会破坏什么

要点速览：

• 将先进封装从晶圆转向面板，改变的不只是可用面积。围绕晶圆的几何形状、搬运和设备而开发的工艺，在面板尺度上都必须重新考量。
• 更大的面板会放大尺寸变化、翘曲和工艺历史的影响，使某一制造步骤中发生的事情对下一步越来越重要。
• 最经济的制造流程可能在不同阶段使用不同的基板规格，而不是让一整块大面板贯穿整个工艺。

将先进封装从晶圆转向面板，乍听之下像是一个几何问题。大型 AI 和 HPC 封装日益呈矩形，而其下方的 300mm 晶圆仍是圆形。随着封装尺寸增大，越来越多的昂贵工序最终落在圆周边缘——在那里什么有用的东西都做不了。

面板把这部分面积还了回来。它可以在同一工艺周期内容纳更多大型封装，而且与晶圆不同，它的尺寸不会对正方形或矩形封装的尺寸施加同样苛刻的硬性限制。对于不断变大的先进封装来说，这种经济性很难忽视。

但半导体封装行业花了几十年时间学习如何加工晶圆，而不是面板。设备、材料、配方、搬运系统和工艺控制，全都是围绕圆形工件的几何形状和机械行为开发出来的。

ASE HPC 应用先进扇出开发技术总监 Teck Chong Lee 在最近的一次演讲中表示：“在 600mm 面板上进行组装的风险很高，而且我认为我们目前并没有齐全的设备来运行这一工艺。其中一个方案是，当你在 600mm 大尺寸上完成中介层之后，把它切成四片，再运行组装和 C4 工艺。这是一种风险低得多的做法。”

这种折中背后的经济效益相当可观。在同一项研究中，一个 5.5 倍曝光尺寸的中介层在 300mm 晶圆上产出 9 颗，而在 300mm 面板上产出 16 颗。一块 600mm 面板切成四片 300mm 可产出 64 颗，而完整处理整块 600mm 面积则可将其提升至 72 颗。从纯利用率来看，完整面板的产出是晶圆的 8 倍，远超原材料面积上约 5 倍的差距，因为矩形面板几乎不在边缘浪费任何面积。

因此，这一流程在能用得上面积优势的地方加以利用，然后在组装之前又让出一部分，因为制造基础设施尚未准备好跟随更大规格一路走到底。这种折中揭示了一个更大的转变正在发生。将封装从晶圆转向面板，并不是简单地把工艺放大。它是要发现哪些环节一直依赖于晶圆的尺寸。

工艺是围绕晶圆构建的
利用率优势随着封装增大而增长。在一项对比中，Intel Foundry 使用 510 × 515mm 面板并展示：一个约 4 倍曝光尺寸的封装在 300mm 晶圆上大约产出 10 颗，而在该面板上约产出 48 颗。最终，晶圆会施加更严苛的几何限制，因为能放入 300mm 晶圆的最大正方形仅约 210 × 210mm。

“对于某些封装尺寸，我们认为晶圆更经济，”Intel高级首席工程师 Tarik Ibrahim 在一场会议演讲中表示。“但一旦超过某个尺寸，你就会很快发现面板更有效，主要是因为从一块面板上能获得更多单元。鉴于 AI 的发展方向以及对超大型系统的需求，面板成为了实现规模化的显而易见的选择。”

图 1：Intel 的 Tarik Ibrahim 讨论用于异构集成的基板缩放。来源：Semiconductor Engineering

经济性的交叉点并不意味着制造工艺也随之交叉。先进封装中使用的许多设备和工艺知识都是为圆形晶圆开发的，而改变基板的形状和尺寸会改变这些工艺必须完成的任务。随着时间推移，许多针对晶圆的特定假设变得不可见，因为其底下的工件很少发生变化。看似工艺要求的东西，往往只是晶圆本身的要求。

“在晶圆级别，这是单面工艺，”Ibrahim 说。“而在面板上，实际上是双面工艺。在面板尺度上以合适的均匀性和合适的 Cpk[过程能力指数]来管理工艺，绝对是一个挑战。”

部分挑战在于，人们熟悉的晶圆工艺并不总能顺利迁移到更大的矩形表面上。例如，旋涂依赖于径向对称性，因此矩形基板会导致角落处的薄膜厚度不均匀，而大部分涂布的光刻胶都被甩掉了。在 600mm 面板流程中，光刻胶改用狭缝式或狭缝挤压式涂布，覆盖约 586 × 586mm 的有效面积。光刻也随之改变，在许多面板流程中，无掩模直写光刻正在取代传统的晶圆步进光刻机。

这些差异会传导到工艺周围的材料和设备上。玻璃面板上的细线路 RDL 正在推动新的光刻胶和涂布方法、更严格的套刻精度控制，以及能够在更大面积上保持温度和工艺均匀性的设备。大型加热板本身就成为一个研发难题。随着线宽/线距从大约 5µm 向 2µm 及以下推进，那些在封装流程中原本属于后段的工艺，开始要求接近前端的精度。

尴尬之处在于，面板不能简单地继承为实现这种精度而构建的前端设备。这些基础设施大多假定使用圆形 300mm 晶圆，而传统的基板设备则是围绕不同的特征尺寸和工艺公差设计的。面板级封装正落在两者之间的某个位置。

其结果与其说是放大的晶圆流程，不如说是一个从几种旧工艺的碎片中拼装而成的新制造工艺。面板解决了日益昂贵的几何问题，但它也暴露出此前有多少涂布、曝光、搬运和均匀性方面的假设都是与前代晶圆绑定在一起的。

良率决定多大的尺寸才有用
支持更大面板最简单的理由是它能容纳更多封装。真正的经济问题是能产出多少合格封装。

当装配到工件上的价值越高时，这一点就越重要。一块搭载逻辑芯片和 HBM 的面板，在某些封装级失效显现之前，就可能承载着数万美元的已知合格裸片。到那时，即使是微小的良率损失也可能抹去一次加工更大面积所带来的全部节省。

Amkor 芯粒与 FCBGA 集成副总裁 Mike Kelly 表示：“晶圆或面板上的芯片承载着巨额资金，哪怕良率受到一点冲击，损失一些极其昂贵的裸片，就会把大规模加工带来的所有好处全部化为乌有。缺陷总会发生，不可能完全无缺陷，所以你必须有出色的修复手段，而不能承受良率损失。否则，你就失去了做大尺寸的全部好处。”

这使得返工能力成为一项设计要求，而非应急措施。一块无法修复的面板会把每个局部缺陷都转化为与其承载价值成正比的损失，而这恰恰正是采用更大尺寸所想要积累的价值。

ASE 的数据直接展示了这种权衡。保留 600mm 面板完整无缺所多出的 12.5% 可用面积，同时也意味着工艺进入了 Lee 所描述的更难控制、且尚未获得所有必要组装设备支持的尺寸。

因此，可制造的最大面板未必是最经济的面板。更大的面积提高了每个工艺周期的产出，但当出现问题时，也让更多的价值处于风险之中。实际的限制既取决于几何尺寸，也同样取决于良率。

面板承载着它的历史前行
面板级别的良率不仅取决于缺陷密度，还取决于面板在流程中移动时其行为的可预测性，因为每道工序都会让它对下一道工序产生细微的差异。

随着封装的推进，材料会经历加热、固化、沉积、电镀和清洗。尺寸可能发生偏移，应力可能累积，材料特性也会随温度和加工而变化。因此，到达下一台设备的结构已不完全等同于进入上一台设备时的样子。

因此，在封装状态发生改变时进行测量是有意义的。但随着工件变大，这些状态变化变得更难管理。在晶圆尺寸上，数十年的制造经验已经确定了对特定工艺通常会产生多大形变，以及下一道工序能够容忍多少形变。而面板则带来了大得多的面积，这些变化必须在整个面积上保持可预测且均匀，而且往往使用生产历史少得多的材料和工艺组合。

玻璃可以减少其中一部分形变。在模拟两层 RDL 形成的测试中，随着基板从标准高 Tg 有机材料转向超低 CTE 材料再转向玻璃，尺寸稳定性显著提升。

Fraunhofer 可靠性与微集成研究所（IZM）基板与面板技术部门经理 Lars Boettcher 在一次会议演讲中表示：“标准高 Tg 材料在三倍标准差下平均偏移约 22 微米。超低 CTE 材料好得多也更均匀，但仍在 7 微米左右。而玻璃芯材非常均匀，大约在 3 微米上下，尽管这可能已经接近我们所用机器的测量精度了。”

然而，更好的尺寸稳定性并不意味着结构的其余部分就停止形变。热处理仍会改变裸片的最终位置，而在大面板上，这种位移可能在表面各处并不一致，而不是表现为一个可以在下一道工序中修正的单一偏移。

“玻璃载板是刚性的，其 CTE 可以与封装上的硅或其他结构相匹配。它非常稳定且表面光滑，可实现细间距加工，”Brewer Science 封装解决方案业务开发工程师 Hamed Gholami Derami 说。“不过，使用玻璃的局限之一可能是热处理过程中的非线性裸片偏移，这使得裸片偏移难以修正，尤其是对于大尺寸玻璃面板而言。”

这就把工艺历史变成了一个对准问题。一个裸片可能在流程早期被准确放置，但由于固化、沉积或其他热处理步骤改变了周围结构，它在后续阶段却出现在了别处。下一层必须构建在那一刻实际存在的面板上，而不是沿用最初设计所携带的坐标。

同样的历史也让仿真变得复杂。杨氏模量和剪切模量等描述材料在拉伸和剪切载荷下刚度的力学性能会随温度变化，而较新的玻璃和聚合物体系并不总能像硅那样拥有成熟的表征数据。通用参数可以作为起点，但在工程师将材料和设备投入实际制造之前，模型仍然必须估算每一道工艺步骤会引入多少应力和翘曲。

“在你的制造或良率失败之前，先做仿真。不要凭空猜测，”Synopsys 产品管理总监 Lang Lin 说。“用通用参数和通用工艺做一次仿真，看看每道工艺会产生多少翘曲和应力，然后再开始你的实验。”

局限在于，通用模型只能走这么远。准确的预测最终取决于叠层中实际材料的行为，包括这些性能如何随温度和加工而变化。而用于此目的的一些最佳数据也可能是专有的。材料或基板供应商可以提供足以改进模型的表征数据，而不必透露产生这些数据的配方或制造细节。

这使得面板制造既是一个建模问题，也同样是一个反馈问题。每道工艺都会改变下一道工艺所接收的物理结构，而测量和模型必须不断跟上这些变化。面板越大，在流程后期才发现某个早期假设有误的代价就越高。

切割面板带来另一个问题
ASE 的混合格式流程通过在工艺中创建一个新边界来管理这种风险，但前提是 600mm 玻璃面板能够经受住被分割成四块较小面板的过程。

“你必须从一开始就围绕如何最终把 600mm 面板分割成四块 300mm 面板来设计它的布局，”ASE 的 Lee 说。“这不是单一的切割工艺。它涉及多个步骤，外加一些边缘处理以去除锋利的边缘。”

这使得切割成为一个上游设计约束。面板布局必须预判最终分离会在何处发生，而切割工艺则必须避免留下崩边或受损边缘，因为这些缺陷可能在后续组装步骤中演变为断裂。ASE 发现，仅仅切割面板是不够的。分离过程需要多道操作，随后还要进行边缘处理，较小的面板才能继续进入生产流程。

切割边缘并不是玻璃携带损伤向下游传递的唯一位置。玻璃通孔（TGV）会在材料内部引入另一个应力集中点，因为铜和玻璃在温度变化时的膨胀速率不同。加热时，铜膨胀更快并凸出，在周围玻璃中集中产生压应力。当结构冷却时，铜收缩并对玻璃侧壁产生拉力，形成张应力，可能驱动周向裂纹向周围材料扩展。找出这些裂纹本身又带来了工艺控制难题。

“目前行业内还没有标准化，”应用材料公司先进封装工艺整合工程师 Poulomi Mukherjee 在一次会议演讲中表示。“我们需要弄清楚什么才是正确的热测试，因为发现玻璃裂纹并不容易。所以这方面还有很多量测工作要做。”

这使得检测工序被推向上游，原因与切割工序被推向上游基本相同。一块面板可能在某道操作中“存活”下来，但同时带有边缘损伤或内部裂纹，而这些缺陷只有在经历另一次热循环、搬运步骤或组装操作后才会显现影响。等到失效变得明显时，面板上可能已经叠加了大量价值。

一些必要的控制手段目前尚不存在。重要缺陷可能隐藏在互连结构内部，而不熟悉的新材料组合产生的关联性，制造商仍在学习如何识别。一个工艺配方也可能在受控的验证环境中运行良好，一旦开始在不同批次和多台设备之间流转，就会遇到波动。

“当它进入量产时，仍然有一条学习曲线要走，”Critical Manufacturing 的项目与计划经理 Tiago Tavares 说。“你必须提前实施控制措施，而其中一些控制手段你还得自己发明，因为它们目前还不存在。”

因此，面板级加工在经济效益上的更大价值，取决于的不只是把更多封装放上更大的工件。工艺还必须足够早地发现损伤，否则额外的面积只会变成更昂贵的损失材料。

结语
关于面板级封装，人们通常设想的是：行业最终会确定一种标准的大尺寸面板格式，并围绕它构建设备生态，就像半导体制造业收敛于 300mm 晶圆那样。

ASE 的混合格式路线表明，这一过渡可能没那么整齐。当利用率主导经济性时，600mm 面板可能是正确答案；但当良率、搬运或设备可用性变得更加重要时，它就未必是正确答案。将其切割变小虽然牺牲了一部分面积效率，却让工件回到了一个更容易控制的生产环境中。

流程的不同环节可能会得出不同的答案。涂布和再布线（RDL）受益于更大的面积，而组装可能更倾向于更小的尺寸。切割必须预判后续工序。检测必须在更多价值被附加之前发现损伤。修复则必须在损伤出现后仍可行。而面板累积的热史和机械史还会改变下一台设备实际要处理的材料状态。

多年来，晶圆让其中的许多选择变得不可见，因为设备、材料和工艺假设早已围绕晶圆形成了共识。面板级封装正在迫使工程师重新把这些选择明确化。行业最终可能会对面板形成统一标准，但首先必须厘清哪些是工艺本身固有的，哪些只是因为底下始终有一片晶圆才看起来像是固有的。

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