为了AI硅基板变“方”了

  ?近日，三菱材料宣布开发出世界最大矩形硅基板，计划于 2025 年开始小规模生产。据三菱材料介绍，该公司生产的最大尺寸为 600mm x 600mm。其他尺寸包括 300mm x 300mm 和 510mm x 515mm，厚度略大于 0.8mm。

  事实上不仅三菱材料，今年六月，有报道指出台积电也在开发矩形基板。台积电正在试验的矩形基板尺寸同样为510mm x 515mm（与三菱材料其中一款尺寸相同）。

  总的来说，矩形基板能节约成本。据了解，矩形基板的可用面积是圆形晶圆的三倍多。同时，采用矩形基板的另一个优势是边缘剩余的未使用面积会更少，可以极大提升材料的利用率。

  那么，这是否意味着过去我们印象中的圆形基板将被取代？要知道从圆形转向矩形对于整个晶圆制造产业来说是相当大的更新工程。

  从前道工艺来看，晶圆的形状有一些优势，但是芯片产品本身都是矩形的。圆形的基板在经过切割后，会有相当多的材料被浪费。

  这里讨论一下为什么芯片是矩形的。从切割的角度来说，硅基板上的 IC 上的所有特征大多数都遵循硅的晶体结构，即立方体。因此，方形芯片可以高效、干净地切割，因为任何抖动都可能会引起沿切割线的裂纹扩展。如果芯片是三角形的，那么就需要将晶圆切割成 3 个不同的角度（而不是 2 个）。而这一过程意味着有必要进行大量更改，并且需要大量工作才能将芯片粘合到 IC 封装的框架上。每个其他三角形芯片都必须旋转 180 度，或者每个其他框架都需要旋转 180 度。这样的更改将极大地增加工艺成本与制造时间。因此芯片的形状基本不会有改变。

  那么为什么基板大部分是圆形呢？从制造的源头看这与硅晶体制造的工艺柴可拉斯基法密切相关。

  1916 年波兰科学家Jan Czochralski（扬柴可拉斯基）在研究金属的结晶速率时发明的晶体生长方法，这种方法还被称作“直拉法”。通过这一个方法，可以获取半导体（如硅、锗和砷化镓等）、金属（如钯、铂、银、金等）、盐、合成宝石单晶材料的晶体。

  这个过程需要将高纯度的半导体级多晶硅置于坩埚中加热至熔融状态。随后，通过精确控制，将硼原子和磷原子等杂质原子定量掺入熔融硅中，以此将硅转变为P型或N型硅，这一掺杂步骤改变了硅的电学特性。

  在此之后，被称为“晶种”或“籽晶”的起始晶体被置于一根精确定向的棒的末端，该末端随后被浸入熔融硅中。随后，通过缓慢且控制地向上提拉这根棒，同时进行旋转，可以促使单晶硅在棒的末端“生长”。此过程中，对棒的温度梯度、提拉速率及旋转速率的精确调控至关重要，它们共同决定了能否在末端形成一根大尺寸的圆柱状单晶硅锭。整个操作通常在惰性气体（如氩气）环境中进行，以防止外界杂质干扰，

  这一过程中，旋转的动作决定了硅晶体生长成了圆柱形的硅棒。而在芯片制作的过程中，许多工艺都会借助“旋转”的动作。

  在光刻的过程中，光刻胶布胶也是在晶圆非常快速地旋转的过程中进行的。借助非常快速地旋转，光刻胶在晶圆的表明上进行扩散，多余的光刻胶可以被甩出晶圆表面。

  处理除圆形以外的任何其他形状的晶圆都是一个巨大的挑战。干蚀刻永远无法在规格范围内获得角落的均匀性。腔室无法正常工作。就标准 RIE 工艺而言，需要制造一个具有约 800 mm工艺面积的工艺腔室才能使其工作。这在短期内是不可能的。

  ASML 的当前高端机器都无法处理方形晶圆，更不用说直径大于标准 12 英寸晶圆 200 mm以上的方形晶圆了。

  从工艺上来讲，制成方形并非不可能。毕竟，太阳能光伏的基板都是矩形的。但需要更新工艺的每个步骤和生产线以适应这种不同的形状。为了更好的提高产量而进行的任何工艺改变真的值得吗？改变工艺本身就是一种损失。从圆形边缘剪掉的少量废料并不是大多数芯片成本的重要因素。

  有这些因素让“晶圆”成为结果，为什么2024 年“晶方”成为了市场的新突破？

  无论是台积电还是三菱材料的矩形基板产品，他们的最终用途都指向了先进封装。

  下一代半导体封装技术正朝着更大的 100 mm x 100 mm方形格式发展。传统的晶圆级封装 (WLP) 使用 12 英寸硅晶圆作为半导体芯片的载体基板，圆形的基板就会涉及切割后边缘材料的浪费。

  为了适应更大的矩形载体基板，需要在载体基板上进行更大的封装。然而，用单晶硅生产大型基板在技术上具有挑战性。因此，开发了面板级封装 (PLP)，使用大型玻璃板作为载体基板。

  目前，玻璃材料的刚性和热导率较低，在重新分布层 (RDL) 形成过程中会导致翘曲。三菱材料表示新开发的大面积矩形硅基板能解决这样一些问题。新基板具有更高的刚性和导热性，可减少 RDL 形成过程中的翘曲。新开发的矩形基板可用作半导体制造工艺中的载体基板，以及半导体封装中的中介层材料。

  就矩形基板来说，台积电也在与设备及原物料供应商合作研发新的芯片封装技术，但需要费时数年才能推动商业化量产。除了材料翘曲的问题，台积电已经在新形状基板上的尖端芯片封装中遇到了一些技术挑战，比如在涂覆光刻胶方面。

  面对如此多的技术挑战，为何巨头们还要费心研究呢？这与 AI 市场快速地发展，带动FOPLP市场息息相关。

  三星电子于 2019 年从三星电机手中收购了扇出型封装业务，并已将其商业化。三星电子表示，AI 半导体芯片（带有电路的矩形部件）的尺寸通常为 600mm x 600mm 或 800mm x 800mm，因此就需要 PLP 之类的技术，三星目前正积极开发并加强和客户合作。

  随后业内人士透露，台积电正大力开发引入矩形PCB封装来替代传统圆形晶圆的技术。台如前文所说，利用矩形晶圆取代传统圆形晶圆，可减少晶圆圆边的浪费，从而生产出更多的半导体封装。

  三星电子目前仍只在某些工艺中使用这项技术，台积电随时都可能会赶超三星电子。对于三星电子来说，如果台积电在这一领域赶超，则可能在产能上落后。尤其是在亚 1nm 超精细工艺技术已达到极限的情况下，矩形 PCB 封装技术有望成为决定半导体芯片产能的重要的条件。随着 AI 半导体需求激增，产能变得愈发关键，率先采用矩形 PCB 封装技术的半导体公司有望在 AI 市场取得战略优势。

  FOPLP 的采用将比整体扇出型市场增长更快，其相对于 FOWLP 的市场占有率将从 2022 年的 2% 上升至 2028 年的 8%。这在某种程度上预示着，随着更多面板生产线的推出以及更高的良率带来更好的成本效益，FOPLP 有望在未来几年实现增长。

  对于半导体供应商来说，从晶圆级扇出转向面板级扇出的临界点取决于风险和成本。FOPLP 需要以低得多的成本生产出与 FOWLP 产量相当的单元。“晶圆扇出技术比面板技术出现得早，”PowerTech Technology Inc. 营销总监 Daniel Fann 表示。“除非有紧急需要，否则说服我们的客户评估面板扇出是一项挑战。此外，我们应该证明面板扇出具有与晶圆扇出类似的生产产量。”

  Bernstein Research 的半导体分析师 Mark Li 表示，FOPLP趋势是肯定的，因为 AI 芯片组将需要每个封装容纳慢慢的变多的芯片。

  随着芯片制造商从用于 AI数据中心计算的芯片中榨取更多的计算能力，封装尺寸只会慢慢的变大。但这仍处于早期阶段。例如，在新形状的基板上涂覆尖端芯片封装中的光刻胶是瓶颈之一。需要像台积电这样的芯片制造商的雄厚财力来推动设备制造商改变设备设计。

  Amkor晶圆服务业务部高级副总裁 Doug Scott 表示，一般来说，FOPLP 使用方形或矩形支撑面板，因此任何旋涂技术都需要用层压或喷涂来取代，与成熟的圆形 300 毫米面板相比，非圆形大型面板的金属沉积、电镀和蚀刻工艺均匀性需要保持一致。面板预处理和后处理也需要定义，具体取决于 FOPLP 处理的方式和工艺步骤。

  总的来说，处理矩形基板的转变需要对设施进行大规模改造，包括升级机械臂和自动化物料处理系统，以处理不一样的形状的基板。这可能是一项跨越 5 到 10 年的长期计划。