將先進封裝工藝從晶圓（wafer）轉向面板（panel），乍看之下似乎只是一個幾何問題。大型人工智慧（AI）和高性能計算（HPC）晶片的封裝形式正日益趨向矩形，而其下方的300毫米晶圓卻依然是圓形的。隨著封裝尺寸的增大，越來越多的昂貴加工步驟會落在圓形晶圓的邊緣區域——而這些區域實際上無法用於製造任何有效產品。
採用面板則能“找回”這些被浪費的區域。在相同的工藝周期內，面板可以容納更多的大型封裝單元；而且與晶圓不同，面板的尺寸不會對方形或矩形封裝的規格造成同樣的嚴格限制。對於尺寸不斷增長的先進封裝而言，這種經濟效益是不容忽視的。
然而，半導體封裝行業幾十年來一直專注於晶圓加工，而非面板加工。現有的裝置、材料、工藝配方、搬運系統以及過程控制方案，全都是圍繞圓形工件的幾何形狀和機械特性而開發設計的。
日月光（ASE）負責HPC應用先進扇出型（fan-out）封裝開發的技術總監Teck Chong Lee在最近的一次演講中指出：“在600毫米面板上進行組裝的風險很高，而且我認為目前我們尚不具備執行該工藝所需的全套裝置。一種可行的方案是：先在大尺寸的600毫米面板上完成中介層（interposer）的製作，然後將其切割成四塊，再分別進行後續的組裝和C4工藝處理。這種方法的風險要低得多。”
這種折中方案背後的經濟效益十分可觀。在同一項研究中，若採用5.5倍光罩尺寸（reticle-size）的中介層，在300毫米晶圓上可產出9個單元，而在300毫米面板上則可產出16個。若將一塊600毫米面板切割成四塊300毫米的單元進行加工，總產量可達64個；而如果能對完整的600毫米面板進行整體加工，產量則可提升至72個。從純粹的利用率來看，完整面板的產出量是晶圓的8倍——這一增幅遠超兩者原始面積約5倍的差距，原因在於矩形面板幾乎不會在邊緣處造成任何浪費。因此，該工藝流程在能夠利用大尺寸優勢的環節充分發揮其長處，但在進入組裝階段前又不得不做出一定讓步——因為現有的製造基礎設施尚無法全程支援這種更大尺寸的規格。這種折中方案恰恰反映了當前正在發生的重大轉型：將封裝工藝從“晶圓級”轉向“面板級”，絕不僅僅是簡單地擴大加工尺寸，而是要重新審視並識別出整個工藝流程中，究竟有那些環節長期以來一直受限於晶圓的固有尺寸。
該工藝流程原本就是圍繞晶圓建構的
隨著封裝尺寸的增大，利用率優勢也隨之提升。在一項對比中，英特爾代工服務（Intel Foundry）展示了使用 510 × 515 毫米面板的案例：對於尺寸約為 4 倍光罩（reticle）的封裝產品，在 300 毫米晶圓上僅能產出約 10 個單元，而在面板上則可產出約 48 個單元。歸根結底，晶圓本身存在著更為嚴格的幾何限制——在 300 毫米晶圓上所能容納的最大正方形，邊長僅約為 210 毫米。
英特爾高級首席工程師塔雷克·易卜拉欣（Tarek Ibrahim）在一次會議演講中表示：“對於某些特定尺寸規格，我們認為晶圓方案更具經濟效益。然而，一旦封裝尺寸超過一定限度，面板方案的優勢便顯而易見——最主要的原因在於，面板能夠產出更多的封裝單元。考慮到人工智慧（AI）的發展趨勢以及對超大規模系統的需求，面板已成為實現規模化生產的必然選擇。”
經濟上的可行性並不意味著製造工藝也能直接平移適用。先進封裝改採用的許多裝置和工藝知識，最初是針對圓形晶圓開發的；而基板形狀與尺寸的改變，也隨之改變了這些工藝的具體要求。久而久之，許多基於“晶圓”這一特定對象的預設條件已變得習以為常，甚至被人們忽略了——因為底層的加工對象（晶圓）長期未曾改變。那些看似屬於工藝本身的要求，實際上往往只是針對晶圓這一載體的要求。
Ibrahim 指出：“在晶圓級，這屬於單面加工；而在面板級，實際上變成了雙面加工。要在面板這種尺寸規模下進行加工，同時確保良好的均勻性和合適的 Cpk（過程能力指數），無疑是一項巨大的挑戰。”
挑戰之一在於，原本適用於晶圓的工藝流程，未必能直接平滑地遷移到更大的矩形表面上。例如，旋涂工藝依賴於徑向對稱性；若用於矩形基板，會導致邊角處的薄膜厚度不均勻，且大部分滴加的光刻膠會被甩出浪費掉。在 600mm 面板的工藝流程中，光刻膠通常改用狹縫塗布（slit or slot-die coating）方式，覆蓋約 586 × 586mm 的有效區域。光刻環節也發生了變化，在許多面板工藝流程中，無掩模直接成像技術正逐漸取代傳統的晶圓步進式光刻機（stepper）。
這些差異進而影響到了相關的材料與裝置。在玻璃面板上實現精細線路（Fine-line RDL）時，需要開發新型光刻膠及其塗布方法，加強對套刻精度（overlay control）的管控，並要求裝置能夠在更大面積範圍內保持溫度和工藝的一致性。例如，大尺寸加熱板本身就成了一個亟待解決的開發難題。隨著線寬/線距（line and space）從約 5µm 向 2µm 甚至更小尺寸演進，原本處於封裝流程後段的工藝，如今也開始要求達到接近前道製造（front-end）等級的精度。
棘手之處在於，面板級封裝無法直接沿用那些為實現高精度而設計的前道製造裝置。前道製造的基礎設施大多是基於 300mm 圓形晶圓建構的，而傳統的基板加工裝置則是針對不同的特徵尺寸和工藝公差設計的。面板級封裝的定位，恰好介於兩者之間。最終呈現的方案，與其說是晶圓工藝流程的簡單放大，不如說是一種由多種舊有工藝要素拼湊而成的新型製造流程。這種面板方案解決了一個日益棘手的幾何尺寸難題，但也隨之暴露出，此前基於晶圓工藝所建立的諸多假設——涵蓋塗膠、曝光、搬運及均勻性控制等各個環節——在應用於面板時面臨著嚴峻挑戰。
良率決定了“有效面積”的上限
支援採用更大尺寸面板，最直觀的理由是它能容納更多的封裝單元。但從經濟角度來看，真正關鍵的問題在於最終能產出多少合格的封裝產品。
當承載於基板上的晶片價值越高，這一問題就愈發重要。如果一塊面板上整合了邏輯晶片和高頻寬記憶體（HBM），那麼在封裝環節出現故障之前，其上搭載的“已知合格晶片”（KGD）價值可能高達數萬美元。在這種情況下，即便良率出現微小的下滑，也足以抵消因單次處理更大面積所帶來的成本優勢。
Amkor公司負責芯粒（Chiplet）與FCBGA整合業務的副總裁Mike Kelly指出：“晶圓或面板上整合的晶片價值極高；一旦良率受損，導致部分昂貴的晶片報廢，那麼通過擴大規模所獲得的全部經濟效益便會蕩然無存。缺陷在所難免，因此必須具備完善的修復機制，以避免良率損失。否則，擴大面板尺寸的初衷也就毫無意義了。”
這意味著“返修能力”不再僅僅是應對突發狀況的備選方案，而已成為一項必要的設計要求。如果面板無法修復，那麼任何局部缺陷所造成的損失，都將與面板上承載的總價值成正比——而這部分價值，恰恰正是採用大尺寸面板所追求的目標。
日月光（ASE）提供的資料直觀地展示了其中的權衡：若要保留600mm面板所帶來的額外12.5%可用面積，就必須採用這種工藝形式；然而，正如Lee所言，這種形式不僅更難管控，而且目前尚未得到所有必要封裝裝置的支援。
因此，在製造層面，尺寸最大的面板未必就是最經濟的選擇。雖然更大的面積能提升單次工藝循環的產出效率，但一旦出現問題，所面臨的價值損失風險也隨之增加。最終，實際可行的尺寸上限，既取決於幾何尺寸，更取決於良率水平。
面板承載著其自身的“歷史”
在面板尺度下，良率不僅取決於缺陷密度，還取決於面板在整個工藝流程中表現出的可預測性——因為每一道工序都會改變面板的狀態，從而影響後續工序。
在封裝製造過程中，材料會經歷加熱、固化、沉積、電鍍和清洗等環節。這些過程會導致尺寸發生偏移、應力累積，材料特性也會隨溫度和工藝條件而改變。因此，當面板進入下一道工序時，其結構狀態已與上一道工序時有所不同。
因此，在面板狀態發生變化時進行測量是合理的。然而，隨著工件尺寸的增大，這些狀態變化也變得更難管控。在晶圓尺度上，數十年的製造經驗已明確了特定工藝會引起多大的位移，以及後續工序對這種位移的容忍度。而在面板尺度下，由於面積大幅增加，必須確保這些變化在整個面板範圍內保持可預測且均勻；此外，面板工藝往往採用生產歷史較短的材料和工藝組合。
使用玻璃基板可以減輕部分此類位移。在模擬兩層重布線層（RDL）形成的測試中，研究發現：當基板材料從標準的“高玻璃化轉變溫度（高Tg）”有機材料，更換為“超低熱膨脹係數（超低CTE）”材料，再到玻璃基板時，尺寸穩定性得到了顯著提升。
弗勞恩霍夫可靠性與微整合研究所（Fraunhofer IZM）的基板與面板技術組經理拉爾斯·伯徹（Lars Boettcher）在一次會議報告中指出：“標準高Tg材料在‘三西格瑪（3σ）’水平下的平均位移約為22微米。超低CTE材料的表現要好得多，且均勻性更佳，但位移仍處於7微米左右。而採用玻璃基板時，表現非常均勻，位移僅在3微米左右——儘管這一數值可能已接近我們所用測量裝置的精度極限。”
然而，即便尺寸穩定性有所提升，結構中的其他部分仍可能發生位移。熱處理工藝仍會改變晶片（die）的最終位置；在大型面板上，這種位移在不同區域可能存在差異，而非表現為可以通過後續步驟統一校正的單一偏移量。 “玻璃載板剛性較強，且其熱膨脹係數（CTE）可與封裝中的矽或其他結構相匹配。它非常穩定，表面平整，能夠支援精細間距（fine-pitch）工藝，”Brewer Science公司封裝解決方案業務開發工程師Hamed Gholami Derami表示，“然而，使用玻璃的一個侷限在於，在熱處理過程中可能會出現非線性的晶片位移（die shift）。這種位移難以校正，在大尺寸玻璃面板上尤為突出。”
這意味著工藝歷程（process history）演變成了一個對準（alignment）問題。晶片在工藝流程初期可能被精準放置，但後續的固化、沉積或其他熱處理步驟可能會改變周圍結構，導致晶片最終位置發生偏移。後續層必須基於面板在當前時刻的實際狀態進行建構，而非僅僅依據原始設計中的坐標資料。
同樣的工藝歷程也增加了模擬的難度。楊氏模量（Young’s modulus）和剪下模量（shear modulus）等力學性能（用於描述材料在拉伸和剪下載荷下的剛度）會隨溫度變化；此外，對於較新的玻璃和聚合物體系，往往缺乏像矽材料那樣成熟的表徵資料。通用參數雖可作為參考起點，但在投入實際生產（消耗材料和佔用裝置）之前，模型仍需預估各工藝步驟可能引入的應力和翹曲程度。
“在製造失敗或良率受損之前，請先進行模擬，不要憑空猜測，”Synopsys公司產品管理負責人Lang Lin建議道，“利用通用參數和通用工藝流程進行模擬，評估各工藝步驟所產生的翹曲和應力，然後再開展實驗。”
但通用模型的侷限性在於其適用範圍有限。要實現精確預測，最終仍取決於堆疊結構中實際材料的特性，包括這些特性如何隨溫度和工藝過程而變化。其中一些關鍵資料可能屬於專有資訊。材料或基板供應商可以在不洩露具體配方或製造細節的前提下，提供足夠的表徵資料，從而最佳化模擬模型。
因此，面板製造既是一個建模問題，也是一個反饋問題。每一道工藝都會改變物理結構，進而影響下一道工藝；而測量手段與模擬模型則必須不斷跟進這些變化。面板規模越大，若在流程後期才發現早先的某項假設有誤，其代價就越昂貴。
對面板進行切割會引發另一個問題
日月光（ASE）採用的“混合格式流程”（mixed-format flow）通過在工藝中引入新的邊界來管控這一風險，但前提是這塊 600mm 的玻璃面板在被分割成四塊較小的面板後，依然能夠保持完整。
日月光的 Lee 表示：“從一開始設計 600mm 面板的佈局時，就必須考慮到它最終會被分割成四塊 300mm 的面板。這並非簡單的切割工序，而是包含多個步驟，還需要進行邊緣處理以去除鋒利的邊緣。”
這意味著“切割”成為了上游設計的一個約束條件。面板佈局必須預先規劃好最終的分割位置；同時，切割工藝必須確保不會產生碎屑或導致邊緣受損，否則在後續的組裝環節中，這些缺陷可能會引發麵板破裂。日月光發現，僅靠切割面板是不夠的——分割過程需要經過多道工序，並輔以邊緣處理，之後較小的面板才能進入後續的工藝流程。
除了切割邊緣，玻璃內部也可能因其他原因而受損。例如，穿透玻璃的通孔（Through-glass vias，簡稱 TGV）會在材料內部造成應力集中，這是因為銅和玻璃在溫度變化時的膨脹率不同。在加熱過程中，銅的膨脹速度更快，會向外凸出，從而在周圍的玻璃中形成壓縮應力集中；而在冷卻過程中，銅發生收縮，會拉扯玻璃側壁，產生拉伸應力，進而可能導致周圍材料出現環狀裂紋。如何發現這些裂紋，本身就是一個工藝控制難題。
應用材料公司（Applied Materials）先進封裝部門的工藝整合工程師 Poulomi Mukherjee 在一次會議演講中指出：“目前行業內尚無統一標準。我們需要確定什麼樣的熱測試才是合適的，因為要檢測出玻璃中的裂紋並非易事。因此，這其中也涉及大量的計量與檢測工作。”
正因如此，檢測環節也被前移到了上游——這與切割工序前移的原因如出一轍。面板在某道工序中可能看似完好，但實際上邊緣已受損或內部已產生裂紋；這些缺陷可能要等到後續經歷熱循環、搬運或組裝操作時，才會真正引發嚴重後果。而當故障顯現時，面板往往已經歷了多道加工，其所承載的價值也已大幅增加。一些必要的管控手段目前尚未具備。嚴重的缺陷可能隱藏在互連結構內部；而材料之間不常見的組合，則會產生一些製造商尚在摸索如何識別的關聯性。一套工藝方案在受控的演示環境下或許行之有效，但一旦投入批次生產，跨越不同的批次和多台裝置時，就可能出現偏差。
Critical Manufacturing的項目與計畫經理Tiago Tavares表示：“在進入大規模生產階段時，仍有一個學習曲線需要克服。你必須提前部署管控措施；而其中一些管控手段甚至需要從零開始研發，因為目前尚不存在現成的方案。”
因此，面板級封裝（Panel-level packaging）在經濟效益上的優勢，並不僅僅在於能在更大的工件上容納更多的封裝單元。該工藝還必須能夠儘早發現損傷，否則，更大的加工面積只會導致在出現廢品時造成更昂貴的材料損失。
結論
人們通常設想，面板級封裝行業最終會統一採用某種標準的大尺寸規格，並圍繞它建構一套裝置生態系統——這正如半導體製造業最終統一採用300mm晶圓一樣。
日月光（ASE）改採用的“混合規格”策略表明，這一過渡過程或許不會那麼整齊劃一。當“利用率”成為影響經濟效益的關鍵因素時，600mm面板或許是理想之選；但當良率、搬運或裝置可用性變得更為重要時，它可能就不再是最優解了。通過切割面板來縮小尺寸，雖然會犧牲一定的面積利用效率，卻能讓工件回歸到一個更易於管控的製造環境中。
在整個工藝流程的不同環節，可能需要採取不同的方案。例如，塗覆（Coating）和重布線層（RDL）工藝能從更大的加工面積中獲益，而組裝環節則可能更適合較小的規格。切割（Dicing）工序必須預判後續工藝的需求；檢測（Inspection）必須在產品被賦予更多價值之前發現損傷；一旦發現損傷，還必須具備修復的可能性。此外，面板在歷經多道工序後所累積的熱應力和機械應力，可能會改變後續裝置實際處理的對象狀態。
多年來，由於裝置、材料和工藝假設都已圍繞“晶圓”這一載體實現了標準化，許多選擇變得“隱形”了。而面板級封裝迫使工程師們必須重新審視並明確這些選擇。該行業最終或許會實現面板規格的標準化，但在此之前，必須先理清那些要素屬於工藝本身，而那些要素僅僅是因為長期以來一直以“晶圓”為載體，才被誤認為是工藝固有的一部分。(半導體行業觀察)