要点总结：
- 将先进封装技术从晶圆转移到面板，改变的不仅仅是可用面积。围绕晶圆几何形状、处理和设备开发的工艺，在面板尺度上必须重新考虑。
- 较大的面板会放大尺寸变化、翘曲和工艺历史，使得制造过程中一个步骤发生的事情对下一个步骤变得越来越重要。
- 最经济的生产流程可能会在不同的阶段使用不同的基板形式，而不是在整个生产过程中使用一个大型面板。
将先进封装技术从晶圆转移到面板，乍听之下像是一个几何问题。大型人工智能和高性能计算封装越来越多地采用矩形设计，而其下方的300mm晶圆仍然是圆形的。随着封装尺寸的增大，更多昂贵的加工工序最终都集中在圆周边缘，而这些边缘区域无法用于构建任何有用的功能。
面板可以腾出空间。它能够在相同的工艺周期内容纳更多大型封装，而且与晶圆不同，其尺寸不会对方形或矩形封装的大小造成硬性限制。对于尺寸不断增大的先进封装而言，其经济效益不容忽视。
但半导体封装行业几十年来一直在学习如何加工晶圆，而不是面板。设备、材料、工艺流程、搬运系统和工艺控制都是围绕圆形工件的几何形状和力学性能开发的。
日月光（ASE）高性能计算应用先进扇出型器件开发技术总监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还没有完成该工艺所需的全部设备。一种方案是，在600mm面板上完成大尺寸中介层后，将其分成四块进行组装和C4工艺。这是一种风险低得多的方法。”
这种折衷方案背后的经济效益非常显著。在同一项研究中，5.5倍光罩尺寸的中介层在300mm晶圆上可生产9个单元，而300mm面板则可生产16个单元。将600mm面板分割成四个300mm部分可生产64个单元，而完整处理整个600mm区域则可生产72个单元。仅从利用率来看，完整面板的产量是晶圆的8倍，这一收益远远超过了原始面积约五倍的差异，因为矩形面板几乎没有边缘损耗。
因此，该工艺流程会尽可能利用面积优势，但在组装前会牺牲一部分，因为制造基础设施尚未准备好完全适应更大的尺寸。这种妥协揭示了正在进行的更大转型。将封装从晶圆转移到面板并非仅仅是扩大工艺规模，而是要发现工艺流程中哪些部分一直以来都依赖于晶圆尺寸。
工艺以晶圆为核心构建
随着封装尺寸的增大，利用率优势也随之提升。例如，英特尔晶圆代工中心曾使用一块 510 × 515 mm的面板进行对比，结果表明，采用大约 4 倍光罩封装，在 300 mm晶圆上可以生产约 10 个芯片，而在面板上则可以生产约 48 个芯片。最终，晶圆尺寸的限制更为严格，因为 300 mm晶圆上可容纳的最大正方形尺寸仅为约 210 × 210 mm。
英特尔高级首席工程师Tarik Ibrahim在一次会议上表示：“对于某些特定尺寸的设备，我们认为晶圆更经济。然而，当设备尺寸超过一定限度时，你会很快发现面板的优势更加明显，这主要是因为面板可以生产更多设备。鉴于人工智能的发展方向以及对大型系统的需求，面板显然成为了实现规模化的理想选择。”
图 1：英特尔 Tarik Ibrahim 讨论了异构集成中的衬底缩放问题。来源：《半导体工程》
经济上的转变并不意味着制造工艺也会随之转变。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需要执行的操作。随着时间的推移，许多针对晶圆的特定假设变得不再适用，因为它们所基于的工件很少发生变化。看似工艺要求的内容，实际上往往只是晶圆本身的要求。
“在晶圆层面，这是一个单面工艺。在面板层面，它实际上是一个双面工艺。要在面板尺度上控制好工艺，并达到合适的均匀性和合适的Cpk（工艺能力指数），绝对是一个挑战。”Tarik Ibrahim 道。
挑战之一在于，熟悉的晶圆工艺并非总能完美地应用于更大的矩形表面。例如，旋涂工艺依赖于径向对称性，因此在矩形基板上，光刻胶在边角处的厚度会不均匀，导致大部分涂覆的光刻胶被浪费掉。在600mm面板生产流程中，光刻胶则通过狭缝或条形涂布的方式沉积在约586×586mm的有效区域上。光刻工艺也发生了变化，在许多面板生产流程中，无掩模直接成像技术取代了传统的晶圆步进光刻机。
这些差异会传递到工艺流程所需的材料和设备中。玻璃面板上的细线 RDL 工艺需要采用新型光刻胶和涂覆方法，更严格的套刻控制，以及能够在更大面积上保持温度和工艺均匀性的设备。大型加热板本身也成为一个开发难题。随着线宽和间距从大约 5µm 缩小到 2µm 甚至更小，以往位于封装流程更靠后的工艺也开始需要更接近前端的精度。
棘手之处在于，面板级封装无法直接沿用为实现这种精度而设计的前端设备。这些设备大多基于300mm圆形晶圆，而传统的基板设备则是针对不同的特征尺寸和工艺公差设计的。面板级封装则介于两者之间。
与其说是扩大了晶圆生产规模，不如说是将几种旧工艺的部件组装成一种新的制造工艺。该面板解决了日益复杂的几何形状问题，但也揭示了之前晶圆在涂层、曝光、处理和均匀性方面的诸多假设是如何被沿用的。
产量决定了面板尺寸的实用性
支持更大面板的最简单理由是它可以容纳更多封装单元。但真正的经济问题是，最终能取下多少合格的封装单元。
随着工件上组装芯片价值的提升，这一点就显得尤为重要。一块承载逻辑电路和HBM芯片的面板，在出现一些封装级缺陷之前，可能包含价值数万美元的已知良品硅芯片。此时，即使是微小的良率损失，也可能抵消一次性加工更多面积所节省的成本。
“晶圆或面板上的芯片价值巨大，哪怕只有一点点良率下降，损失一些极其昂贵的硅片，都会让大规模生产带来的所有优势付诸东流。缺陷在所难免，不可能完全避免，所以你必须有完善的修复方法，避免良率损失。否则，大规模生产的所有优势都将荡然无存。”Amkor芯片和FCBGA集成副总裁Mike Kelly表示。
这使得返工能力成为一项设计要求，而非权宜之计。无法修复的面板，其每一个局部缺陷都会转化为与面板价值成正比的损失，而这正是采用大尺寸面板所追求的价值所在。
日月光的数据直接体现了这种权衡。保留600mm面板所带来的额外12.5%的可用面积，也使得生产流程进入了李所描述的更难控制且尚未配备所有必要组装设备的模式。
因此，可制造尺寸最大的面板未必是最经济的。更大的面积能提高每个工艺周期的生产效率，但一旦出现问题，也会造成更大的价值损失。实际的限制因素既包括几何形状，也包括成品率。
面板会继承其历史状态
面板层面的良率不仅取决于缺陷密度，还取决于面板在生产流程中运行的可预测性，因为每一道工序都会使其在下一道工序中略有不同。
随着封装工艺的推进，材料会经历加热、固化、沉积、电镀和清洗等工序。尺寸可能会发生变化，应力可能会累积，材料性能也会随着温度和加工过程而改变。因此，到达下一个模具的材料结构与到达前一个模具的材料结构并不完全相同。
因此，在封装状态发生变化时进行测量是合理的。但随着工件尺寸的增大，这些状态变化也更难控制。在晶圆级，数十年的制造经验已经确定了特定工艺会产生多大的位移，以及后续工序可以容忍多大的位移。而面板则增加了一个更大的面积，这些变化必须在该面积上保持可预测性和均匀性，而且面板通常使用的材料和工艺组合的生产历史远不如晶圆级丰富。
玻璃可以减少部分这种位移。在模拟两层RDL层形成的测试中，随着基底从标准的高Tg有机材料过渡到超低CTE材料，再到玻璃，尺寸稳定性显著提高。
IZM 基板和面板技术组组长 Lars Boettcher 在一次会议上表示：“标准高 Tg 材料在三倍标准差下平均偏差约为 22 µm。超低 CTE 材料的性能要好得多，也更加均匀，但偏差仍然在 7 µm左右。而玻璃芯材料的均匀性非常好，偏差在 3 µm左右，尽管这可能已经接近我们所用仪器的测量精度了。”
然而，更好的尺寸稳定性并不意味着结构的其他部分会停止移动。热处理仍然会改变芯片的最终位置，而且在大尺寸面板上，这种移动可能在整个表面上有所不同，而不是像单一偏移那样可以在下一步进行校正。
“玻璃载体刚性强，其热膨胀系数可以与封装上的硅或其他结构相匹配。它非常稳定，表面光滑，因此可以进行精细间距加工。然而，使用玻璃的一个局限性在于热处理过程中芯片的非线性位移，这使得校正芯片位移变得困难，尤其对于大尺寸玻璃面板而言。” Brewer Science 封装解决方案业务开发工程师 Hamed Gholami Derami表示。
这就把工艺历史问题转化成了对准问题。芯片在流程早期可能被正确放置，但由于固化、沉积或其他热处理步骤改变了周围的结构，芯片后期仍然可能到达其他位置。下一层必须在实际存在的面板上构建，而不是基于从原始设计沿用下来的坐标。
同样的历史因素也使模拟变得复杂。杨氏模量和剪切模量等力学性能（描述材料在拉伸和剪切载荷下的刚度）会随温度变化，而且新型玻璃和聚合物体系并不总是像硅那样拥有成熟的表征数据。通用属性可以提供一个起点，但模型仍然需要估算每个工艺步骤会引入多少应力和翘曲，工程师才能将材料和设备投入实际制造。
Synopsys公司产品管理负责人 Lang Lin表示：“在制造工艺或良率出现问题之前，先进行模拟，不要妄加猜测。使用通用属性和通用工艺进行模拟，看看每种工艺会产生多少翘曲和应力，然后再开始你的实验。”
通用模型的局限性在于其适用范围有限。准确的预测最终取决于叠层结构中实际材料的特性，包括这些特性如何随温度和加工工艺变化。而一些用于此目的的最佳数据可能属于专有信息。材料或基材供应商可以提供足够的表征数据来改进模型，而无需透露其配方或制造细节。
这使得面板制造既是一个建模问题，也是一个反馈问题。每个工序都会改变下一个工序所接收的物理结构，而测量和模型必须不断更新以适应这些变化。面板尺寸越大，在生产流程后期发现早期假设错误所造成的损失就越大。
将面板切割成小块会带来其他问题
ASE的混合格式流程通过在流程中创建新边界来管理这种风险，但这只有在 600 mm玻璃面板能够承受被切割成四个较小的面板的情况下才有效。
日月光的李先生表示：“你必须从一开始就根据如何将600mm面板最终分割成四个300mm面板来设计布局。这不是一次简单的切割过程，而是涉及多个步骤，外加一些边缘处理来去除尖锐边缘。”
这使得切割成为上游设计的一个制约因素。面板布局必须预先考虑最终分离的位置，而切割过程必须避免留下碎屑或破损的边缘，以免在后续的组装步骤中造成断裂。ASE发现，仅仅切割面板是不够的。分离过程需要多道工序，之后还要进行边缘处理，才能使较小的面板继续进入后续流程。
切割边缘并非玻璃唯一可能造成损伤的地方。玻璃通孔会在材料内部引入另一种应力集中，因为铜和玻璃随温度变化膨胀的速率不同。加热时，铜膨胀更快并向外凸出，导致周围玻璃中出现集中的压应力。结构冷却时，铜收缩并拉扯玻璃侧壁，产生拉应力，这种拉应力可能导致裂纹沿周向扩展至周围材料。而检测这些裂纹本身又会带来新的工艺控制难题。
Applied Materials 先进封装工艺集成工程师 Poulomi Mukherjee在一次会议上表示：“目前行业内还没有统一的标准。我们需要找到正确的热测试方法，因为发现玻璃裂纹并不容易。所以，这其中也涉及到大量的计量工作。”
这与切割工序前移的原因大致相同，因此检测工序也前移了。一块面板可能在经历一次操作后，边缘损伤或内部裂纹才会显现出来，而这些损伤或裂纹只有在经过另一次热循环、搬运或组装操作后才会变得严重。等到故障变得明显时，面板的价值可能已经大幅提升。
一些必要的控制措施尚未建立。重要的缺陷可能隐藏在互连线内部，而陌生的材料组合会产生制造商仍在学习如何识别的关联性。此外，某种配方在受控演示中可能有效，但一旦开始跨批次和使用多种设备，就会出现偏差。
“当产品进入大规模生产阶段时，仍然需要一个学习过程，你必须提前实施控制措施，有些控制措施甚至需要你自己去发明，因为它们当时还不存在。” Critical Manufacturing 项目经理 Tiago Tavares表示。
因此，面板加工的更宏观的经济效益不仅仅在于将额外的组件安装到更大的工件上。该工艺还必须及早发现损伤，以避免增加的面积仅仅造成更多昂贵材料的损耗。
结论
通常情况下，面板级封装行业会假设最终会确定一个标准的大尺寸封装，并围绕它构建一个设备生态系统，就像半导体制造最终采用 300 mm晶圆一样。
日月光（ASE）的混合规格方案表明，这种过渡可能并不那么顺畅。600mm面板在利用率至上、经济效益优先的时期或许是合适的选择，但随着良率、搬运或设备可用性等因素变得更加重要，它就不再是最佳方案了。缩小面板尺寸虽然会牺牲一些面积效率，但却能让工件回到更易于控制的生产环境中。
流程的不同环节可能会得出不同的结果。涂层和RDL工艺受益于较大的加工面积，而组装则可能更适合较小的尺寸。切割工序必须预判后续工序。检测工序必须在增加更多价值之前发现损伤。一旦发现损伤，必须能够进行修复。此外，面板累积的热历史和机械历史也会影响后续工序实际需要加工的内容。
多年来，由于晶圆封装使得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成型。而面板级封装迫使工程师们再次明确这些选择。行业最终或许能够实现面板的标准化，但首先必须区分哪些属于工艺本身，哪些只是因为下方始终存在晶圆而看起来像是工艺的一部分。
