隨著 AI 芯片尺寸持續(xù)快速增大，一個(gè)棘手的形狀悖論日漸凸顯：高端算力芯片趨向大尺寸、方正形態(tài)，而作為載體的封裝基板，卻始終沿用傳統(tǒng)圓形設(shè)計(jì)。這既是物理特性帶來(lái)的固有局限，也是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)亟待突破的固有范式。

01

圓形→方形的“幾何賬”

在此之前，要先了解，為什么晶圓是圓的，而芯片卻是方的。

單晶直拉法工藝中的旋轉(zhuǎn)提拉決定了硅錠的圓柱型，從而決定晶圓是圓形的。 直拉法的過(guò)程是先在坩堝中將高純硅加熱為熔融態(tài)，再將晶種（籽晶）置于一根精確定向的棒的末端，并使末端浸入熔融狀態(tài)的硅，然后將棒緩慢向上提拉并旋轉(zhuǎn)。 通過(guò)對(duì)提拉速率、旋轉(zhuǎn)速率與溫度的精確控制，就可以在棒的末端得到一根較大的圓柱狀單晶硅棒，后續(xù)再對(duì)硅棒進(jìn)行打磨、拋光、切割等工序后，就能得到一片可用的圓形的硅片。

而芯片在晶圓上以方形排列，切割時(shí)只需沿直線進(jìn)行，效率高且浪費(fèi)少。 如果芯片是圓形的，切割過(guò)程會(huì)更加復(fù)雜，耗時(shí)更長(zhǎng)。方形芯片在封裝過(guò)程中更容易與引線或焊盤對(duì)齊，尤其是采用Flip chip型封裝時(shí)，方形設(shè)計(jì)更便于機(jī)器操作。

首先是材料浪費(fèi)難題。傳統(tǒng)12英寸圓形晶圓在切割方形芯片時(shí)，邊緣會(huì)產(chǎn)生大量無(wú)法利用的浪費(fèi)，面積利用率通常不足85%。而采用矩形路徑的面板級(jí)封裝，面積利用率可輕松突破95%。這種“去邊角化”的設(shè)計(jì)，使得單次制程可產(chǎn)出的芯片數(shù)量大幅增加，據(jù)行業(yè)估算，從晶圓級(jí)封裝過(guò)渡到面板級(jí)封裝，單位成本有望降低20%至30%以上。

其次是尺寸剛性限制。隨著技術(shù)復(fù)雜性在亞20nm節(jié)點(diǎn)上的加速，半導(dǎo)體制造成本已經(jīng)快速增加，晶圓尺寸從300毫米過(guò)渡到450毫米將是解決這一問題的方法之一，但對(duì)應(yīng)的基板尺寸難以滿足 AI 芯片持續(xù)擴(kuò)大的封裝需求。

更關(guān)鍵的是翹曲失控風(fēng)險(xiǎn)。大尺寸圓形基板在高溫封裝過(guò)程中，因應(yīng)力分布不均易出現(xiàn)翹曲變形，導(dǎo)致信號(hào)傳輸中斷，而方形基板通過(guò)規(guī)整的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可將翹曲度控制在更低的范圍內(nèi)，完全適配先進(jìn)封裝的精度要求。

02

“方”寸之爭(zhēng)，兩條主流路線

當(dāng)前扇出型封裝存在兩大技術(shù)分支，即扇出型晶圓級(jí)封裝（FOWLP）以及扇出型面板級(jí)封裝（FOPLP）。其中FOWLP基于圓形的晶圓來(lái)進(jìn)行封裝，F(xiàn)OPLP使用方形的面板作為基板。

根據(jù)Yole報(bào)告，F(xiàn)OWLP技術(shù)面積使用率<85%，F(xiàn)OPLP面積使用率>95%，可以放置更多的芯片數(shù)，成本也比FOWLP便宜；面板級(jí)封裝的成本與晶圓級(jí)封裝相比將會(huì)降低66%。

方形基板的世界遠(yuǎn)不止FOPLP。

臺(tái)積電的CoPoS 技術(shù)也是基于CoWoS 2.5D 封裝的“面板化”所演進(jìn)。其與FOPLP有著本質(zhì)的不同。FOPLP沒有中介層，主要用于電源管理、傳感器等成熟制程；而CoPoS 的全稱為 Chip-on-Panel-on-Substrate（芯片-面板-基板封裝）。CoPoS 的技術(shù)核心在于，將芯片模組搭載到面板級(jí)基板上完成封裝，通過(guò)更大尺寸的方形面板來(lái)提升面積利用率，同時(shí)支持更大規(guī)格的封裝尺寸。這一點(diǎn)對(duì)于未來(lái)超大型 AI GPU、AI ASIC以及 HPC芯片至關(guān)重要——下一代 AI 芯片需要整合更多運(yùn)算晶粒和更多組 HBM，傳統(tǒng)封裝的尺寸限制將逐漸無(wú)法滿足需求，而 CoPoS 恰好能突破這一瓶頸。

在AI、HPC、功率電子甚至航空航天領(lǐng)域，一場(chǎng)關(guān)于“形狀、材料與性能”的暗戰(zhàn)早已白熱化。

先看方形硅基板。它由高純度單晶硅制成，最大的優(yōu)勢(shì)是熱膨脹系數(shù)與芯片幾乎完全一致，因此翹曲極小，還能在上面集成高密度的硅通孔。早在2024年三菱材料就曾宣布已經(jīng)能生產(chǎn)600mm×600mm的方形硅基板，專為超大尺寸的AI芯片服務(wù)。它的缺點(diǎn)是成本高昂，大尺寸制備難度大。

再看玻璃基板。玻璃基板依托低熱膨脹系數(shù)、高平整度、低介電損耗等優(yōu)異材料特性，搭配 TGV 玻璃通孔互連技術(shù)，可充分發(fā)揮大尺寸面板制程優(yōu)勢(shì)，有效解決傳統(tǒng)封裝基板的翹曲、布線密度不足、高頻信號(hào)損耗大等問題。這是目前業(yè)界最熱門的材料，英特爾和臺(tái)積電都在拼命押注。

陶瓷基板則是一條完全不同的技術(shù)路線。它通常由氧化鋁、氮化鋁或碳化硅制成，最大的亮點(diǎn)是超高導(dǎo)熱——氮化鋁的導(dǎo)熱系數(shù)可以達(dá)到170-230W/m·K左右，同時(shí)耐高壓、抗腐蝕，能在極端環(huán)境下長(zhǎng)期可靠工作。它的短板是大尺寸易碎，成本也比有機(jī)基板高。

如果說(shuō)FOPLP把“方形”帶入了封裝的主流視野，但真正決定未來(lái)芯片性能、尺寸和成本的，是這些承載電路、傳遞信號(hào)、帶走熱量的基板材料。

03

方形基板，巨頭搶注中

據(jù)悉，臺(tái)積電正全力推進(jìn)新一代面板級(jí)封裝技術(shù)CoWoS。目前的重點(diǎn)研發(fā)規(guī)格為310×310毫米，并正在評(píng)估在該尺寸上整合玻璃材料。德國(guó)設(shè)備商SCHMID首席銷售官Roland Rettenmaier指出，目前整個(gè)行業(yè)正逐步走向標(biāo)準(zhǔn)化，主流面板尺寸包括310×310毫米、510×515毫米以及600×600毫米等多種規(guī)格。臺(tái)積電此次重點(diǎn)推進(jìn)的310×310毫米規(guī)格，正是為了在封裝面積、生產(chǎn)良率與設(shè)備兼容性之間尋找最佳平衡點(diǎn)。

早在臺(tái)積電InFO 問世后，日月光即投入扇出型面板級(jí)封裝的研發(fā)，目標(biāo)提供更低單位成本的先進(jìn)封裝方案。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期技術(shù)攻關(guān)，日月光已克服面板翹曲等關(guān)鍵難題，取得顯著進(jìn)展。日月光在早期以300×300mm規(guī)格試產(chǎn)FOPLP，獲得不錯(cuò)的良率表現(xiàn)；目前已將面板規(guī)格推進(jìn)到600×600mm，并認(rèn)為若600mm級(jí)產(chǎn)品的良率符合預(yù)期，將有客戶導(dǎo)入，屆時(shí)600×600mm 可望成為FOPLP 主流規(guī)格。根據(jù)日月光營(yíng)運(yùn)長(zhǎng)吳田玉于2025年2月的說(shuō)明，該產(chǎn)線將于2025年底前完成試產(chǎn)，2026年起送樣予客戶進(jìn)行產(chǎn)品認(rèn)證。此意味著日月光將在2026年正式承接客戶訂單，為市場(chǎng)提供商業(yè)化的面板級(jí)封裝服務(wù)。

根據(jù)TrendForce，AMD 已與日月光接洽討論以FOPLP 封裝PC 處理器，Qualcomm（高通）則與日月光洽談將電源管理IC采用FOPLP。

群創(chuàng)光電也已掌握超大面板封裝制程，是目前業(yè)界面板尺寸最大的FOPLP 生產(chǎn)者。群創(chuàng)的FOPLP 面板尺寸高達(dá)700mm×700mm，遠(yuǎn)超其他業(yè)者常見的300～600mm規(guī)格。群創(chuàng)已展開第二期產(chǎn)能擴(kuò)充，試量產(chǎn)產(chǎn)線月產(chǎn)能約達(dá)1000片超大面板，并已送樣給多家海內(nèi)外客戶驗(yàn)證。市場(chǎng)消息指出，群創(chuàng)已獲得歐系IDM大廠恩智浦和意法半導(dǎo)體的訂單。應(yīng)用方面，群創(chuàng)切入的產(chǎn)品包括消費(fèi)性電子以及車用電子等成熟制程芯片。

力成科技也是最早投入FOPLP 的OSAT 廠商之一。截至2025年，力成已經(jīng)完成面板級(jí)封裝產(chǎn)能的布建，并率先進(jìn)入量產(chǎn)階段。業(yè)界指出，力成搶在臺(tái)積電、日月光之前，與國(guó)際IDM大廠聯(lián)手小量生產(chǎn)FOPLP新品，雖目前占營(yíng)收比重有限，但隨先進(jìn)封裝市場(chǎng)朝面板級(jí)發(fā)展，力成有望快速拓展新商機(jī)。

英偉達(dá)也在關(guān)注FOPLP技術(shù)，早在2024年就有市場(chǎng)消息稱英偉達(dá)有興趣在Blackwell架構(gòu)芯片中引入FOPLP封裝技術(shù)，應(yīng)用于GB200。但后續(xù)隨著GB200的發(fā)布，未有相關(guān)更新。

除了封裝技術(shù)外，玻璃基板技術(shù)的推進(jìn)也成為關(guān)注重點(diǎn)。

2023年9月，英特爾宣布推出業(yè)界首款用于下一代先進(jìn)封裝的玻璃基板，計(jì)劃于2026 年至 2030 年量產(chǎn)。英特爾已在玻璃基板技術(shù)上投入了大約十年時(shí)間，是最早開發(fā)出玻璃基板解決方案的公司。

早在CES 2024上，三星電機(jī)就已提出，將建立一條玻璃基板原型生產(chǎn)線，目標(biāo)是2025年生產(chǎn)原型，2026年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。業(yè)內(nèi)人士表示，三星電機(jī)已選定了玻璃基板中試線的設(shè)備供應(yīng)商，包括韓國(guó)企業(yè)Philoptics、重友和來(lái)自海外的 Chemtronics、LPKF 樂普科等。

韓國(guó)SK集團(tuán)旗下的Absolics投資了6億美元，計(jì)劃在喬治亞州科文頓建一座月產(chǎn)能達(dá)4000塊的玻璃基板工廠。SK海力士通過(guò)這家美國(guó)子公司涉足該領(lǐng)域;中國(guó)的京東方已將玻璃基板確立為核心戰(zhàn)略，計(jì)劃2027年實(shí)現(xiàn)高深寬比產(chǎn)品量產(chǎn)......

04

方形基板，還要跨過(guò)幾道難關(guān)？

方形基板雖在空間利用率、材料損耗控制等方面展現(xiàn)出理論優(yōu)勢(shì)，但短期內(nèi)絕無(wú)可能替代圓形基板的主流地位。

圓形基板歷經(jīng)數(shù)十年產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，已形成從單晶生長(zhǎng)、切割拋光到光刻、薄膜沉積的全鏈條成熟配套體系，設(shè)備、工藝、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)均圍繞圓形幾何形態(tài)深度優(yōu)化，這種龐大的工業(yè)慣性和生態(tài)粘性極難被打破。方形基板若想撼動(dòng)其地位，必須直面若干尚未攻克的核心難題。

首先，方形基板的邊緣應(yīng)力分布遠(yuǎn)較圓形復(fù)雜，在高溫工藝中極易產(chǎn)生翹曲與裂紋，直接影響良率。

其次，現(xiàn)有主流制造設(shè)備——如旋轉(zhuǎn)涂膠臺(tái)、圓形等離子刻蝕腔體——均基于軸對(duì)稱設(shè)計(jì)，改為方形需對(duì)核心腔室乃至整線布局進(jìn)行顛覆性改造，投資規(guī)模巨大且風(fēng)險(xiǎn)未知。

最后，方形基板的搬運(yùn)、定位與掩膜版對(duì)準(zhǔn)精度控制，在量產(chǎn)級(jí)別上尚缺乏成熟穩(wěn)定的工程方案，碎片率與均勻性問題突出。

綜合來(lái)看，盡管少數(shù)頭部企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)已在化合物半導(dǎo)體或先進(jìn)封裝領(lǐng)域展開試點(diǎn)，但要真正解決從材料生長(zhǎng)到設(shè)備兼容再到良率爬坡的全鏈條難題，或許至少還需要5年以上的時(shí)間。