面板級封裝，拐點已至？

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先進封裝技術正迅速成為人工智能和高性能計算時代的核心推動力，這主要得益于三大支柱的融合：面板級封裝 (PLP)、后端設備創新和集成電路基板。隨著系統復雜性的增加和基于芯片的架構規模的擴大，傳統的晶圓級封裝方法正逐漸達到其極限。這種轉變正推動行業邁向新的制造模式，重塑成本結構、性能優化和供應鏈動態。

Yole Group的分析師強調了三個關鍵信息：PLP是實現高性價比大尺寸集成的途徑；后端設備是提升性能和可擴展性的戰略驅動力；IC基板既是當今生態系統中的關鍵推動因素，也是瓶頸所在。這些趨勢共同反映了半導體行業更廣泛的架構轉變。

面板級封裝加速人工智能和高性能計算的擴展

面板級封裝 (PLP) 正逐漸成為半導體系統的關鍵推動技術，這主要得益于人工智能 (AI) 和高性能計算 (HPC) 的快速發展。隨著基于芯片組的架構和異構集成成為主流，封裝尺寸持續增大，尤其是在 AI 加速器和數據中心處理器領域。這些大型系統需要先進的 2.5D 中介層和高端 IC 基板。然而，由于更大的中介層會減少每片晶圓上可容納的封裝數量，因此晶圓級封裝的效率正變得越來越低。

PLP（封裝級封裝）利用更大的載流子尺寸來提高面積利用率和制造效率，提供了一種極具吸引力的替代方案。對于大尺寸封裝，與WLP（晶圓級封裝）相比，PLP可以顯著提高載流子效率，從而使2.5D中介層解決方案的成本降低10-20%。這使得PLP在人工智能和高性能計算（HPC）應用領域尤為具有吸引力，因為在這些應用中，性能和成本擴展都至關重要。

市場發展勢頭強勁，預計2025年營收將超過3億美元，未來幾年還將快速增長。臺積電計劃于2029年左右攜其CoPoS技術進入市場，預計將成為一個轉折點，加速先進人工智能軟件包的普及應用。

PLP技術的發展與設備和IC基板生態系統的進步密切相關。設備供應商正在改進工具以支持更大尺寸的面板，而基板和材料廠商則在探索新的解決方案，以實現基于面板的中介層。與此同時，來自LCD和PCB行業的公司也開始進入PLP價值鏈。盡管PLP技術潛力巨大，但在工藝成熟度、面板標準化和大尺寸制造方面仍然存在挑戰。

多年來，芯片制造的重心幾乎完全放在前端工藝技術上。然而，這種情況正在迅速改變。后端設備正在超越其傳統的輔助角色，不再僅僅是半導體制造的最后一步。

人工智能和高性能計算的需求正推動設備制造商采用帶寬更高、能效更高、邏輯和內存集成度更高的架構。這些需求促使高帶寬內存（HBM）、基于芯片組的設計和異構集成成為主流，極大地提升了組裝、鍵合、單片和檢測設備在戰略上的重要性。

這種轉變在先進的互連鍵合解決方案中尤為明顯，隨著互連密度的提高和封裝架構要求的日益提高，熱壓鍵合 (TCB) 和混合鍵合正成為關鍵技術。HBM 技術不斷提升堆疊精度、熱穩定性和良率控制的標準。芯片組架構需要更精確的芯片放置和更可靠的互連形成，以應對日益復雜的封裝設計，尤其是在架構朝著更高 I/O 密度和更苛刻的中介層及基板設計發展時。

BESI、ASMPT、Hanmi、Kulicke 和 Soffa (K&S) 等供應商正日益調整其產品路線圖，以滿足下一代封裝的要求。在下一代封裝中，TCB 已成為提高吞吐量、降低成本和最終器件性能的關鍵因素，而混合鍵合正在成為下一個重大轉折點。

BESI與其合作伙伴應用材料公司已成為該領域的領導者。此次合作也體現了一個更廣泛的趨勢：前端和后端技術的融合將推動下一代技術范式的實現。

面板級加工的價值在于設備供應商能否在不影響成品率的前提下，將精度和工藝控制擴展到更大尺寸。這不僅僅是降低成本的問題，更是在提高生產效率的同時，保持先進包裝應用所需的對準精度、翹曲控制和工藝均勻性。

因此，面板封裝的發展也與設備封裝息息相關，因為設備供應商也是討論的焦點。事實上，向更大尺寸封裝的過渡要求后端設備生態系統遠遠超越傳統的晶圓級封裝流程。這一點在設備生態系統中已初見端倪：K&S明確將其TCB技術定位為從晶圓級封裝到面板級封裝的橋梁；ASMPT正在推廣支持PLP的貼片和工藝；DISCO則通過大型面板切割系統不斷擴展面板單片化能力。

先進的后端設備依賴于全球精密組件、運動系統、光學元件、熱模塊、自動化硬件和專用材料組成的網絡，這意味著該行業日益受到地緣政治壓力、關稅、出口管制和區域制造業不平衡的影響，這些因素都可能影響交貨時間和產能提升。隨著包裝需求的加速增長，擁有彈性供應鏈、強大的區域支持以及本地化服務和生產能力的公司更有可能占據更有利的地位。

C基板不僅僅是系統中的另一層，它們是支撐整個先進封裝生態系統的關鍵基礎。

在臺積電的CoPoS實現商業化規模，以及PLP平臺達到人工智能和高性能計算領域廣泛應用所需的工藝成熟度之前，有機集成電路基板仍然不可或缺。它們是當今領先的人工智能加速器、定制超大規模集成電路以及基于HBM系統的架構基礎。

基板規格的提升速度已經超過了行業現有能力的預期。基板尺寸已從2023年的100毫米躍升至短期路線圖中的200毫米以上；層數正向30層甚至更多邁進；每個封裝的I/O連接數已達50萬。每一次增長都迫使集成電路基板制造采用更先進的設備，并需要更高的資本支出才能跟上步伐。后端設備供應商在芯片級解決TCB和混合鍵合的精度挑戰，同樣也由集成電路基板制造商在封裝級同時解決。

IC基板供應鏈存在重大風險和脆弱性，PLP可能會繼承這些風險和脆弱性。T型玻璃纖維實際上處于壟斷市場，產能擴張受限于熔爐建設周期，下游投資無法縮短這一周期，而標準化最早也要到2027年才能實現。ABF介電薄膜也面臨類似的集中風險。這些并非采購方面的挑戰，而是架構上的制約因素，決定著整個先進封裝生態系統如今能否快速依賴IC基板，以及未來能否快速依賴面板。

面板級封裝、后端設備演進和集成電路基板這三大力量并非偶然匯合的獨立趨勢，而是同一架構轉變的體現。它們在三個方面同時推進，共同邁向一種新的制造范式，在這種范式下，集成電路基板制造和面板級工藝之間的界限將變得愈發清晰。

先進封裝技術正進入一個關鍵階段，系統級集成至關重要。隨著封裝級工藝（PLP）的成熟、后端設備的演進以及基材限制的加劇，一些關鍵問題隨之出現：生態系統能夠以多快的速度擴展？誰將引領這一轉型？

這些答案將塑造人工智能基礎設施的未來。讓我們繼續討論。您認為先進封裝領域的下一個瓶頸或突破點是什么？

面板級封裝第二波浪潮

在大型矩形面板而非圓形晶圓上加工半導體封裝的想法已經流傳多年，期間曾多次引起關注，但隨著實際困難超過預期收益而逐漸被擱置。然而，最終實現這一目標的壓力正在不斷增加。

人工智能加速器和高性能計算組件的體積越來越大，晶圓級的經濟效益開始難以滿足這些面積需求。與其說是行業主動選擇面板，不如說是經濟和技術變革推動著行業朝著面板化的方向發展。

“如今，封裝對于持續擴展產品規模的重要性不亞于其他任何因素，” Lam Research全球產品集團高級副總裁Sesha Varadarajan在最近的一次主題演講中表示。“先進的封裝技術將所有類型的器件整合在一起，而封裝規模的擴展不僅僅像通常認為的那樣是為了提高I/O密度。它還意味著要集成新型架構，未來可能還會包括硅光子學。”

支持更大尺寸的理由

面板級加工的經濟效益顯而易見。對于大型、昂貴的AI和HPC封裝而言，主要的成本驅動因素并非硅片本身（硅片本身價格昂貴且密度高），而是圍繞其構建的襯底和組裝基礎設施。基于晶圓的加工限制了單次運行可處理的單元數量，而隨著模塊尺寸接近甚至最終超過光刻膠的限制，這種限制的成本將變得越來越高。

隨著封裝尺寸的增大，每片300mm晶圓上可容納的單元數量減少，邊緣損耗增加，且每個加工步驟的成本被分攤到更少的可銷售封裝上。其結果是，隨著模塊面積的擴大，晶圓級經濟效益持續惡化。面板加工通過用總面積大數倍的矩形基板取代圓形晶圓中介層來解決這個問題，從而提高了每次加工的單元數量，并更有效地分攤了固定成本。

SavanSys總裁Amy Lujan在最近的一次演講中表示：“普遍的共識是，我們正處于面板扇出技術的第二波浪潮中。最初，人們對面板封裝的興趣主要集中在標準扇出方案上，即在大面板上使用類似的封裝方式。而現在，高性能計算（HPC）和人工智能（AI）芯片的需求促使我們都開始關注面板扇出技術，以用于更先進的工藝流程。”

盧揚的成本模型專門針對310mm x 310mm范圍內的面板尺寸，這比晶圓級封裝尺寸有了顯著提升，而無需完全過渡到已提出的最大面板尺寸。這些中間尺寸目前正受到廣泛關注，反映出隨著封裝復雜性的增加，可實現的經濟效益顯著提高。為下一代人工智能加速器設計的封裝成本高昂，即使每次處理運行的單元數量只有適度的提升，也足以證明對新工藝開發的大量投資是合理的。

經濟論證無法解決，而業界也越來越清楚地認識到，面板級處理的復合挑戰不能僅僅依靠晶圓級經驗來擴展。

壓力下的玻璃

玻璃作為面板級基板應用的候選材料備受關注。它的熱膨脹系數可以與硅非常接近，表面平整光滑，足以支持細間距加工，而且其光學透明性使其適用于某些組裝流程中至關重要的紫外或激光脫粘工藝。這些特性使得玻璃成為有機基板的理想替代品，而有機基板在尺寸穩定性、高頻介電損耗以及大尺寸下的翹曲等方面存在諸多已知的局限性。

玻璃的問題在于其脆性，而且隨著基材尺寸的增大，這種脆性并不會變得更容易控制。玻璃引入的大多數失效模式在理論上是可以理解的，但在實踐中卻難以消除。隨著加工工藝向面板形式發展，這一點尤為明顯，因為面板的邊長會增加，承受的應力也會成倍增加，而且每個后續工序都會繼承前面工序累積的機械歷史。

初始玻璃材料的表面質量也是一個比人們通常認為的更為重要的變量。原材料制備或早期研磨拋光步驟中引入的微裂紋會成為應力集中點，后續加工過程可以利用這些應力集中點。濕法蝕刻、熱循環和機械操作都可能引發或擴展這些裂紋，而它們造成的損傷可能要到工藝流程的后期才會顯現為可見的缺陷。

“如果初始表面質量差，那么在整個下游工藝過程中都存在破損的風險，”Plan Optik AG晶圓級封裝和先進封裝銷售主管Jonas Discher在最近的一次演講中表示。“我們討論的仍然是一種脆性材料。微裂紋會導致良率下降和可靠性問題。”

尺寸縮放問題加劇了這種擔憂，而且這種擔憂難以通過工程手段規避。在300毫米晶圓上可控的微裂紋，在襯底尺寸為310毫米×310毫米或更大時，會成為一個更為嚴重的變量。這是因為隨著總邊長的增加，操作次數也隨之增加，加工過程中產生的機械應力會分布在更大且更不均勻的區域內。

裂紋問題不僅存在于玻璃內部，而且遵循特定的力學規律，因此僅靠工藝調整難以解決。玻璃通孔（TGV）對于玻璃基板的電氣布線功能至關重要，而填充其中的銅在熱循環下的行為與周圍的玻璃截然不同。對失效過程的詳細表征足以解釋為什么簡單的材料替換無法解決問題。

應用材料公司先進封裝工藝集成工程師 Poulomi Mukherjee 在最近的一次演講中表示：“在加熱過程中，由于熱膨脹系數不匹配，銅的膨脹幅度更大，銅凹槽所在區域實際上成為了應力集中點。裂紋就從這里開始萌生。一旦開始冷卻，銅就會拉扯玻璃，產生拉應力，從而導致裂紋沿周向擴展。”

充分理解失效機制并能通過實驗重現該失效過程，是找到材料解決方案的關鍵，但這條道路并非一帆風順。應用材料公司測試了不同熱膨脹系數 (CTE) 和模量組合的襯里材料，最終找到了一種能夠同時解決兩種失效模式的配置。高熱膨脹系數襯里無法解決原有的不匹配問題。低熱膨脹系數襯里雖然能夠抵抗開裂，但其高模量意味著它無法吸收產生的應變能。最終有效的方案需要同時具備這兩種特性。

“如果襯墊采用高模量低熱膨脹系數的材料，雖然可以補償模量不匹配的問題，但由于模量過高，襯墊無法變形來補償產生的應力，”穆克吉解釋說。“最佳方案是采用低熱膨脹系數、低模量的材料。這種材料既能補償熱膨脹系數的差異，又能通過低模量吸收部分應變能。”

模型顯示，優化后的襯墊可將關鍵應力集中點的應力降低高達 60%。該方法還能改善種子層與玻璃側壁的粘合力，從而無需額外的工藝步驟即可解決另一種常見的失效模式。該解決方案更廣泛地體現了面板級開發現階段所面臨的問題——需要對整個通孔流程中的材料特性、沉積設備和工藝順序進行協同設計。由于玻璃成分各異，因此每種解決方案都必須在生產中可能遇到的各種基板類型上進行驗證。

即使是加工過程中臨時使用的載體（而非最終封裝的永久部件），隨著面板尺寸的增大，也引發了新的工程問題。玻璃載體可以回收并重復用于多個生產批次，這種假設在經濟上很有吸引力，但其機械性能卻很脆弱。最近的研究開始量化載體的抗損傷能力在正常使用過程中究竟會下降多少。

“我們通過對比全新和重復使用的玻璃載體，研究了扇出工藝歷史的影響，”日月光電子（ ASE）工程項目經理Wiwy Wudjud表示。“這種對比使我們能夠評估熱暴露、機械搬運或累積工藝應力是否會隨著時間的推移降低邊緣完整性。重復使用的玻璃載體出現了碎裂和約43微米的微缺陷。這種損傷很可能是由于最終工藝和清洗步驟中的機械應力或化學物質暴露造成的。”

經測量，重復使用的玻璃托架的沖擊韌性相對于新的托架顯著下降，邊緣可見的碎裂與托架抵抗搬運和加工過程中常見沖擊力的能力直接相關。這并非意味著玻璃托架不能重復使用，而是意味著在未進行量化邊緣完整性檢測的情況下重復使用會帶來風險，而生產環境尚未系統地解決這一風險。隨著面板尺寸的增大和托架更換成本的增加，這一差距亟待彌合。

面板級

翹曲面板級封裝中的翹曲通常被視為封裝問題，因為它表現為成品面板的彎曲或卷曲。但問題的根源遠不止于此，它源于所選層材料的特性、聚合物對固化和熱循環的響應、銅密度梯度如何改變堆疊結構的剛度平衡，以及每個工藝步驟產生的殘余應力如何在下一個步驟開始前累積。在晶圓級，幾何形狀和工藝經驗有助于控制這種累積。但在面板級，同樣的力作用于更大的區域，結構支撐卻更少，因此，在沒有專用材料的情況下，控制這些力的余地會大大縮小。

在面板生產流程中，臨時粘合層是造成翹曲變異的一個常被忽視的因素。在晶圓級加工中，臨時粘合材料經過多年的生產開發和驗證，其在標準工藝條件下的性能具有相當高的可預測性。然而，在面板級加工中，同樣的材料需要均勻涂覆更大的面積，在更大的機械載荷下保持厚度一致，并承受比其最初設計用于晶圓級加工的工藝流程更為嚴苛的熱變化。

“臨時粘合材料的總厚度變化直接影響減薄器件的質量和均勻性，其變化幅度應足夠小，以滿足此類器件（尤其是HBM DRAM芯片）所需的極薄化要求，”Brewer Science封裝解決方案業務開發工程師Hamed Gholami Derami表示。“面板級封裝需要具有更高熱穩定性和機械穩定性的新型臨時粘合材料。”

臨時鍵合偏差的實際后果是，它會沿著工藝流程向前傳播，且事后難以糾正。如果鍵合層在 310mm 面板上涂覆不均勻，后續的研磨步驟將導致器件變薄，厚度也隨之出現偏差。這種偏差會影響后續鍵合步驟的對準，進而影響互連良率，最終影響面板形式的經濟效益——而這正是面板形式最初吸引人的地方。

德拉米指出，從晶圓到面板的過渡進一步加劇了這個問題，因為要均勻地涂覆更大的面積更加困難，而且現有的材料并非為面板級工藝的機械和熱要求而設計的。

這些挑戰并非僅限于面板本身。玻璃面板上所需的重分布層 (RDL) 工藝對材料提出了更高的要求，幾乎達到了當前基板級光刻技術可靠交付的極限。在目前面板級 RDL 所追求的線寬和間距分辨率下，標準光刻膠材料和工藝化學方法已接近極限，而大尺寸面板所需的套刻精度也遠超有機基板領域以往所能達到的水平。

弗勞恩霍夫可靠性與集成研究所 (IZM) 基板和面板技術組組長 Lars Boettcher 在最近的一次演講中表示：“我們迫切需要研究新的方案和新的光刻膠材料，以解決分辨率達到兩微米甚至更低的問題。此外，還需要考慮新的設備，例如大型加熱板，以便在涂覆后固化這些材料。”

能夠處理更大矩形尺寸的面板級CVD和PVD設備才剛剛開始出現。面板尺寸液態介電材料的應用和開發設備尚未標準化。此外，處理面板級工藝流程產生的大量計量和過程控制信息所需的數據管理基礎設施本身就是一項意義重大的工程挑戰。這些問題本身都可以解決，但只有解決了這些問題，面板尺寸所帶來的經濟效益才能真正實現。

鍵合界面良率，規模化應用

面板級芯片集成中混合鍵合技術的推廣，加劇了本已十分棘手的襯底問題。混合鍵合技術提供的互連密度是任何基于凸點的互連方式都無法比擬的，對于需要在異構芯片陣列上實現高帶寬、低功耗的AI加速器而言，這種密度優勢至關重要。然而，混合鍵合技術本身就存在缺陷，而面板加工過程中引入的各種變異性恰恰會加劇這些缺陷。

在混合鍵合技術的發源地——代工廠，潔凈度是工廠層面的設計參數。從空氣處理到工具表面，再到工藝化學品的純度，所有環節都圍繞著防止顆粒物破壞混合鍵合的良率而展開。而OSAT（外包半導體組裝測試）工廠的設計并非基于這一假設。隨著混合鍵合技術向后端轉移，以支持基于芯片組的面板封裝，工藝要求與環境條件之間的差距必須通過其他方式來彌合。

“隨著混合鍵合技術從晶圓廠向OSAT（外包半導體組裝和測試）廠轉移，顆粒污染已成為首要問題，”安靠公司芯片和FCBGA集成副總裁Mike Kelly表示。“僅僅一個納米級的顆粒就足以將玻璃層剝離，并污染 晶圓上的許多芯片。在晶圓廠，環境已經非常潔凈，但隨著技術向OSAT廠和其他公司轉移，顆粒污染就如同致命的打擊。”

設備制造商正在開發集群式工具來應對這一挑戰，這些工具能夠在機器內部維持局部潔凈環境，在工具層面上達到接近晶圓廠潔凈度的標準，而無需整個工廠都達到這些標準。這是一種可行的工程解決方案，但它增加了成本和復雜性，而且在各種面板級生產條件下，何為足夠的局部潔凈度這一問題，目前尚未能從生產數據中得到解答。在面板級生產中，一旦出現問題，后果將更加嚴重。大型面板上的污染事件每次影響的單元數量遠多于晶圓上的污染事件，因此良率損失的經濟效益也相應更高。

模擬尚未建成的產品

為尚未批量生產的結構設計面板級工藝流程存在固有的困難。玻璃在面板尺度下的實際工藝條件下的材料特性尚未完全明確。工程師所依賴的仿真工具是基于晶圓級幾何形狀和工藝流程進行驗證的，而模型預測與生產結果之間的反饋回路，雖然經過數十年的晶圓制造實踐不斷完善，但在面板尺度上才剛剛開始積累。

面板級加工所要支持的設計的復雜性，使得這一挑戰變得尤為具體。衡量先進封裝組件尺寸大小的一個有效指標是光刻掩模。對于最先進的設備而言，單次光刻曝光所能覆蓋的區域約為 26mm x 33mm。超過此面積的封裝需要將多次曝光拼接在一起，因此，設計所跨越的光刻掩模區域數量已成為衡量其規模和復雜性的一個實用指標。

Synopsys研發執行總監Sutirtha Kabir表示：“設計方案正從幾個光罩場擴展到更多。而且，目前正在討論的是，在本十年末，光罩場的數量將達到幾十個。有機中介層中已經嵌入了數十個硅橋。這些設計非常復雜，而EDA（電子設計自動化）在其中扮演著至關重要的角色。”

為了更直觀地說明這一發展軌跡，一個包含42個光罩的設計將占據大約100mm x 150mm甚至更大的面積，具體取決于布局。這已經遠遠超出了面板尺寸的范疇，也遠遠超出了晶圓級工藝的經濟承受范圍。Kabir提到的30多個嵌入式硅橋并非無關緊要的細節。每個硅橋都是一個精密放置的組件，有著各自的對準要求。構建和加工如此復雜的結構所產生的累積應力，正是當前仿真工具在面板尺度上仍在努力精確建模的多變量問題。

對包含30個或更多嵌入式橋接結構在20步面板級工藝流程中的性能進行建模，這與對300毫米晶圓進行建模有著本質區別。在面板級工藝流程中，每一步都會引入自身的應力，并繼承前幾步的累積歷史。仿真庫中的標稱材料屬性只是一個起點，但特定玻璃配方在特定固化和熱處理流程下的實際性能可能與這些屬性存在差異，而這些差異只有生產經驗才能揭示。此外，制造商也不愿分享能夠提高模型精度的工藝數據，因為這些數據代表著來之不易的競爭優勢。

結論：未來工作的走向

隨著面板級包裝技術從研究階段邁向實際工程階段，其核心挑戰逐漸清晰：并非傳統意義上的包裝挑戰，而是材料和工藝整合方面的挑戰，而這些挑戰恰好是在包裝的背景下得到解決的。

玻璃面板能否可靠地制造以適應大批量生產，取決于表面處理、金屬化、熱循環性能以及臨時粘合材料的性能。隨著間距縮小，混合粘合的良率能否在OSAT工廠保持穩定，則取決于污染控制、CMP工藝管理以及銅在細間距下的機械極限。這些問題都無法孤立地解決，而那些在轉型過程中表現最出色的公司，正將其視為材料和工藝的整合問題，并將封裝作為整合層，而不是將封裝問題視為材料作為輔助因素。

推動第二波浪潮的經濟因素是切實存在的，而且隨著人工智能封裝尺寸的不斷增大，這些因素不會減弱。面板級處理的成本優勢反而更加顯著，而非減弱，因為其所服務的封裝成本更高、面積更大。然而，從具有吸引力的經濟效益到可靠的量產，需要克服諸多棘手的工程難題，而這些難題的解決速度取決于在尚未大規模實現的制造環境中積累生產經驗的速度。

（來源：編譯自semiengineering）

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