近日，三菱材料宣布開發(fā)出世界*矩形硅基板，計劃于 2025 年開始小規(guī)模生產(chǎn)。據(jù)三菱材料介紹，該公司生產(chǎn)的*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，有報道指出臺積電也在開發(fā)矩形基板。臺積電正在試驗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，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?

　　總的來說，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，采用矩形基板的另一個優(yōu)勢是邊緣剩余的未使用面積會更少，可以極大提升材料的利用率。

　　那么，這是否意味著過去我們印象中的圓形基板將被取代?要知道從圓形轉(zhuǎn)向矩形對于整個晶圓制造產(chǎn)業(yè)來說是相當(dāng)大的更新工程。

　　1、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環(huán)節(jié)中。

　　從前道工藝來看，晶圓的形狀有一些優(yōu)勢，但是芯片產(chǎn)品本身都是矩形的。圓形的基板在經(jīng)過切割后，會有相當(dāng)多的材料被浪費(fèi)。

　　這里討論一下為什么芯片是矩形的。從切割的角度來說，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，因為任何抖動都可能導(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 個不同的角度(而不是 2 個)。而這一過程意味著需要進(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。每個其他三角形芯片都必須旋轉(zhuǎn) 180 度，或者每個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間。因此芯片的形狀基本不會有改變。

　　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)晶速率時發(fā)明的晶體生長方法，這種方法還被稱作“直拉法”。通過這個方法，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。

　　這個過程需要將高純度的半導(dǎo)體級多晶硅置于坩堝中加熱至熔融狀態(tài)。隨后，通過精確控制，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，通過緩慢且控制地向上提拉這根棒，同時進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，可以促使單晶硅在棒的末端“生長”。此過程中，對棒的溫度梯度、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，

　　這一過程中，旋轉(zhuǎn)的動作決定了硅晶體生長成了圓柱形的硅棒。而在芯片制作的過程中，許多工藝都會借助“旋轉(zhuǎn)”的動作。

　　在光刻的過程中，光刻膠布膠也是在晶圓高速旋轉(zhuǎn)的過程中進(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巨大的挑戰(zhàn)。干蝕刻永遠(yuǎn)無法在規(guī)格范圍內(nèi)獲得角落的均勻性。腔室無法正常工作。就標(biāo)準(zhǔn) RIE 工藝而言，需要制造一個具有約 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)器都無法處理方形晶圓，更不用說直徑大于標(biāo)準(zhǔn) 12 英寸晶圓 200 mm以上的方形晶圓了。

　　從工藝上來講，制成方形并非不可能。畢竟，太陽能光伏的基板都是矩形的。但需要更新工藝的每個步驟和生產(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”成為了市場的新突破？

　　答案依舊是成本。

　　2、矩形基板將用于先進(jìn)封裝

　　無論是臺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，開發(fā)了面板級封裝 (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) 形成過程中會導(dǎo)致翹曲。三菱材料表示新開發(fā)的大面積矩形硅基板可以解決這些問題。新基板具有更高的剛性和導(dǎo)熱性，可減少 RDL 形成過程中的翹曲。新開發(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。

　　就矩形基板來說，臺積電也在與設(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)時數(shù)年才能推動商業(yè)化量產(chǎn)。除了材料翹曲的問題，臺積電已經(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 市場迅速發(fā)展，帶動FOPLP市場息息相關(guān)。

　　三星電子于 2019 年從三星電機(jī)手中收購了扇出型封裝業(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)，三星目前正積極開發(fā)并加強(qiáng)和客戶合作。

　　來源：semiengineering

　　隨后業(yè)內(nèi)人士透露，臺積電正大力開發(fā)引入矩形PCB封裝來替代傳統(tǒng)圓形晶圓的技術(shù)。臺如前文所說，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技術(shù)，臺積電隨時都有可能趕超三星電子。對于三星電子來說，如果臺積電在這一領(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 市場取得戰(zhàn)略優(yōu)勢。

　　Yole Group 表示，整個扇出型封裝市場，F(xiàn)OWLP 仍然是主流載體類型，而 FOPLP 仍被視為小眾市場。Yole Intelligence 估計，2022 年 FOPLP 市場規(guī)模約為 4100 萬美元，預(yù)計未來五年將呈現(xiàn) 32.5% 的復(fù)合年增長率，到 2028 年將增長至 2.21 億美元。

　　FOPLP 的采用將比整體扇出型市場增長更快，其相對于 FOWLP 的市場份額將從 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更好的成本效益，F(xiàn)OPLP 有望在未來幾年實(shí)現(xiàn)增長。

　　3、業(yè)內(nèi)人士看矩形基板的挑戰(zhàn)

　　挑戰(zhàn)一：說服客戶使用新技術(shù)

　　對于半導(dǎo)體供應(yīng)商來說，從晶圓級扇出轉(zhuǎn)向面板級扇出的臨界點(diǎn)取決于風(fēng)險和成本。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��?ldquo;晶圓扇出技術(shù)比面板技術(shù)出現(xiàn)得早，”PowerTech Technology Inc. 營銷總監(jiān) Daniel Fann 表示。“除非有緊急需要，否則說服我們的客戶評估面板扇出是一項挑戰(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。”

　　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趨勢是肯定的，因為 AI 芯片組將需要每個封裝容納越來越多的芯片。

　　隨著芯片制造商從用于 AI 數(shù)據(jù)中心計算的芯片中榨取更多的計算能力，封裝尺寸只會越來越大。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。需要像臺積電這樣的芯片制造商的雄厚財力來推動設(shè)備制造商改變設(shè)備設(shè)計。

　　Amkor晶圓服務(wù)業(yè)務(wù)部高級副總裁 Doug Scott 表示，一般來說，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。

　　總的來說，處理矩形基板的轉(zhuǎn)變需要對設(shè)施進(jìn)行大規(guī)模改造，包括升級機(jī)械臂和自動化物料處理系統(tǒng)，以處理不同形狀的基板。這可能是一項跨越 5 到 10 年的長期計劃。

　　短期內(nèi)，圓形基板還不用太“方”。