基板，巨变

多年来，基板问题虽然难以解决，但描述起来却相对容易。只要生产出足够数量、符合所需尺寸和良率的基板，先进的包装生产线就能持续运转。

ABF基板短缺问题促使企业高管将这一问题提上日程，也强化了这种观点，产能仍然是整体问题的重要组成部分。但即使供应商拥有可用产能，也未必能够生产出现代先进封装所需的基板。更大的封装体、更多的层数、更精细的布线、新型介电材料、嵌入式元件以及更严格的机械公差往往同时出现，将供应问题演变为产能问题。

经济因素正逐渐揭示这种转变。虽然基板的出货量没有相应增加，但用于基板的资金却在不断增加，因为每个基板都需要更多的材料和更复杂的结构。在人工智能和服务器封装中，这通常意味着更大的面积、更多的层数以及更高的互连要求。

Prismark首席顾问王宇波在最近的一次会议上表示：“基板价值的增长速度超过了出货量的增长速度，因为封装层数增加、尺寸增大，导致材料消耗量上升。增长最强劲的领域仍然是服务器，特别是大尺寸倒装芯片BGA封装。”

以往的产能问题如今多了个限定词——产能究竟用于什么？即使两家供应商生产的有机基板尺寸大致相同，它们也未必可以互换。每种封装架构都有其自身可接受的材料、尺寸和工艺限制组合，因此，尺寸匹配仅仅是开始。介电性能、线间距、层叠结构、热膨胀系数、嵌入式无源器件、功率传输、热性能以及组装流程都会显著缩小材料的选择范围。而这种选择范围的缩小，始于越来越多的系统功能被集成到封装内部。

小芯片通过将大型系统分割成更小的芯片，并在之后进行组合，有助于解决部分硅芯片尺寸缩小的问题。但是，曾经集成在单个硅片上的功能在分离后仍然需要通信。信号必须穿过封装，电源必须以最小的损耗或噪声到达每个芯片，而且HBM必须足够靠近逻辑电路才能实现带宽优势。

英特尔晶圆代工高级首席工程师塔里克·易卜拉欣在最近的一次演讲中表示：“从封装的角度来看，封装不仅仅是一个保护层。它实际上承载着大量的信号和电力。因此，我们与供应商、设备供应商以及基板供应商合作，优化介电材料和设计规则。”

这些新增组件将以往看似简单的封装选择转变为系统决策。介质的选择基于其电学特性对信号传播的影响，而非仅仅考虑其能否经受层压和组装。层数会影响布线容量和供电能力。嵌入式无源器件可以缩短电路路径，但会占用面积并增加工艺步骤，而光集成则带来了其自身的几何结构、材料和热敏感性。基板仍然位于芯片下方，但它在决定芯片协同工作性能方面发挥着越来越重要的作用。

这种专业化不仅发生在基板家族内部，也发生在家族之间。当不同的封装需要不同的核心结构、层数和嵌入式功能时，有机基板不再能广泛互换。

新光电气公司企业高管兼研发总经理荒木康史在最近的一次会议上表示：“我们有三种类型的铁芯层结构，以及四层、六层和八层铁芯。现在客户要求我们在铁芯中嵌入无源元件，以确保电源完整性。”

这使得人们熟知的有机材料、硅材料和玻璃材料之争在某种程度上具有误导性。这些仍然是重要的架构选择，但每个类别内部都已出现专业化趋势。当设计需要重复制造而非仅需演示一次时，这种专业化就显得更为重要。布局工具可以绘制更精细的线条，封装架构师可以要求增加一层堆叠层，但这些决定都无法证明供应商能够以可接受的良率生产数百万个这样的基板。

当客户架构、OSAT组装规则和基板供应商的工艺限制必须共存时，设计与制造之间的界限就显现出来了。随着新型先进封装尺寸的出现，设计规则必须能够适应多个制造窗口。适用于封装架构的几何形状仍然必须是基板供应商能够实现良率，并且OSAT能够可靠组装的。

“我们可能需要一些特定的设计规则，但基板供应商可能会告诉我们，如果我们这样做，会影响他们的良率，因为这些都是大尺寸的多层结构，”Amkor主流业务部高级副总裁兼总经理Joe Roybal表示。 “我们需要确保良率在合理范围内，而且在某种程度上，我们还必须调整我们的组装工艺，无论是标准的回流焊、激光辅助键合还是热压键合。”

因此，即使技术上可行，规格也可能在经济上变得不划算。层数越多，缺陷和套准误差的概率就越高。更大的本体尺寸会使尺寸和机械偏差更容易累积，而更紧密的布线则会降低工艺裕度。然而，真正的难题很少是单一的失效机制。更常见的情况是，多个公差同时收窄，导致基板供应商的标称产能无法有效转化为生产良率。设计重复性的损失可能同样重要。

罗伊巴尔补充道：“如今，我们不能再说‘哦，我们以前做过这个’了。每个客户都不一样，在进行验证和批量生产之前，我们需要做一些研发工作。”

芯片尺寸、芯片布局、间距和散热限制等因素可能存在显著差异，因此既定的工艺窗口只能作为起点，而无法直接应用。这也改变了“第二来源”的含义。

即使供应商拥有闲置的工厂产能，也必须能够复制所需的堆叠结构、尺寸、电气特性和工艺良率，才能成为可互换的供应商。随着基板对架构的针对性越来越强，合格的供应商群体可能会比标称的供应商群体小得多，而且这种专业化趋势还会蔓延到与最终基板完全无关的材料领域。

基板并非在组装过程中保持不变。根据工艺流程，基板可能被临时固定在载体上，反复加热和冷却，涂覆介电层，进行等离子体或湿化学处理，电镀，减薄，脱粘和清洗。每道工序都会使下一道工序的基板形成一个具有历史痕迹的物理结构，包括残余应力、翘曲、表面状况以及已经经历过多次化学和温度变化的材料。

临时粘合材料处于这段历史的中间阶段。它们可能与聚合物、介电材料、金属、硅或玻璃接触，并且需要在加工过程中牢固地粘合越来越薄的结构，同时又不能变得过于刚硬而产生额外的机械应力。这些要求会随着所涉及的表面、热预算以及材料需要适应的翘曲程度而变化。

“这些材料的设计应该针对具体应用，”布鲁尔科学公司先进半导体封装材料经理哈米德·德拉米表示。“一种临时粘合材料可能适用于某个特定工艺，但不适用于其他工艺。我们通常会根据材料将要接触的物质以及该工艺的粘合要求来重新设计材料。”

该工艺窗口可能很窄。粘合力过弱，封装在加工过程中可能发生分层。模量过高，临时粘合层反而会增加应力，而不是起到缓冲作用。当在粘合结构上构建细间距RDL时，总厚度变化也很重要，因为局部厚度变化会降低晶圆上RDL的均匀性和分辨率。因此，Brewer会根据特定工艺流程的粘合力、热预算、翘曲和其他要求来调整材料，而不是假设一种化学成分适用于不同的架构。

这种变化并不总是需要新的封装结构。不同的模塑化合物会改变粘合性和机械载荷，而固化条件或热预算的变化也会影响聚合物的性能。“即使他们从第一代封装升级到第二代，我们也可能需要更换材料，”德拉米补充道。

从晶圆到面板的转换带来了一系列新的要求。不均匀的涂层，以及更高的应力和翘曲，都要求面板级封装的临时粘合材料具有更高的热稳定性和机械稳定性。

在永久基板内部，玻璃也表现出同样的依赖性。由于铜填充的玻璃通孔和周围玻璃的热膨胀系数不同，当结构加热和冷却时，它们的膨胀和收缩方式也不同。应用材料公司发现，仅仅降低两者之间衬垫的热膨胀系数是不够的。如果衬垫的模量过高，则无法产生足够的形变来吸收应变；而低热膨胀系数、低模量的衬垫则能同时解决热膨胀系数不匹配和机械响应问题，从而减少开裂。

应用材料公司先进封装工艺集成工程师 Poulomi Mukherjee 在最近的一次会议上表示：“关于改变玻璃材料是否会改变工艺流程，存在很多疑问。这促使我们认识到，我们需要一种适用于不同类型玻璃的解决方案，以确保下游工艺流程不会改变。”

目标是实现工艺的可移植性，但实现这种可移植性本身就暴露了根本问题。“玻璃”并非只有一套机械和界面条件。只要成分或性能发生足够大的变化，应力、晶种粘附以及下游热行为都会随之改变。

“所有这些工艺步骤都有各自的挑战，”穆克吉说。“它们既要各自独立运作，又要协同优化运作，以确保上游和下游工艺不会相互干扰。”

到那时，基板的专业化已经超越了基板工厂的范畴。载体可以改变，粘合剂可以改变，底纸可以改变，可接受的工艺窗口也可以改变。下一个制约因素落在了能够处理所有这些变化的设备上。

随着基板选择改变材料、应力、处理方式和工艺流程，设备制造商也必须应对这些变化。原本围绕熟悉的晶圆厚度、介电系统或通孔工艺设计的设备，可能需要在更大的面板、更多的堆叠层和更严格的线间距要求下运行——同时还要在更大的区域内保持均匀性。这给设备供应商带来了新的开发难题：更大的基板、更严格的布线要求以及多种新兴工艺选项，都迫使设备超出其熟悉的工艺范围。

“业界尚未就真正的范式达成共识，所有这些方法都需要设备行业投入更多资金和进行更多研发，” Lam Research先进封装技术总监Prahalad Parthangal在最近的一次会议上表示。“我们需要了解如何实现标准化，以及如何开发出能够完全支撑整个行业发展的产品。”

在融合实现之前，设备供应商可能不得不支持几种相互竞争的基板方法，却不知道哪种（或哪些）最终会实现大规模生产。

这就造成了一个棘手的设备购置难题。设备必须尽早开发，以支持基板技术，但这项技术可能仍面临多种替代方案的竞争。例如，玻璃芯流可能需要与有机堆叠基板不同的处理和通孔加工工艺。面板加工引入了其自身的沉积和均匀性要求，而更精细的布线可能会推动后端工艺向越来越像前端制造的技术靠拢。因此，支持专业化意味着在最终产品组合完全确定之前，就需要设计和采购设备。

当单一应用主导产品路线图时，这种不确定性更容易被接受。然而，基板市场的发展方向却恰恰相反，人工智能、光学、汽车和电源封装等领域正将设计需求引向不同的终端。

人工智能和高性能计算目前对基板提出了极高的要求。大型逻辑复合体被HBM包围，需要密集的布线、多层结构、高速信号传输以及日益复杂的供电方式，同时封装本身的面积和价值也在不断增长。这些要求有利于那些能够支持大尺寸封装和高布线密度的技术，但它们并不能为其他所有应用场景提供通用的架构。

共封装光学器件已经揭示了器件层级结构变化之快。电子器件、光子集成电路、光引擎、光纤连接和散热解决方案必须共存于同一封装内，而制造基础设施仍在围绕几种相互竞争的实现方案不断发展。

“挑战之一在于，这项技术非常新颖，每个人都在尝试开辟自己的道路，”Amkor 的软件包开发高级总监 Suresh Jayaraman 表示。“每个解决方案都独一无二，每个人都在构建定制解决方案。如果我们投入资源并表示，我们将支持这种特定的架构，但它是否能移植到其他人那里则未必。”

这些差异直接体现在组装环节。一些CPO（组件封装）方案可以复用现有2.5D平台的部分元件，但光学元件的特性与普通芯片截然不同。安装光学元件可能需要一些之前OSAT（外包半导体组装和测试）工具箱中没有的设备，而电子封装中可能可以容忍的少量污染，在微透镜阵列周围却会造成光衰减。因此，制造商必须考虑为这些光学结构开发新的安装、清洁和检测方案。

即使是光路周围的材料也会因架构而异。有些架构使用折射率匹配环氧树脂将透镜连接到中介层，而另一些架构则需要洁净空气腔。针对传统电子布线优化的基板或中介层仍然可以作为初始平台，但光学架构可能会对其周围材料进行足够的改变，从而使制造流程变得因应用而异。

汽车行业则呈现出相反的情况。尽管ADAS和集中式计算领域正在采用更先进的封装技术，但市场的大部分仍然依赖成熟的封装类型，因为认证历史、成本和长期可靠性在这些领域的重要性远不及在尖端AI加速器领域。

“尽管我们看到先进封装技术取得了显著增长，但汽车封装的主力军仍然是传统的引线键合封装，”安靠公司BGA和QFN产品副总裁Prasad Dhond表示。“我们采用的材料组合以降低成本和提高可靠性为导向，同时还结合了汽车行业特有的设计特性，例如可润湿侧边，以提高可检测性。”

这种对比至关重要，因为专业化并不总是意味着采用最先进的衬底。人工智能处理器为了提升带宽，可能会接受额外的层数、昂贵的材料以及高度集成。许多汽车应用仍然倾向于采用成熟且可靠性历史悠久且性能可靠的架构。高压功率器件强调散热路径、隔离以及能够承受各种不同电应力的材料，而CPO则增加了光学洁净度和对准方面的要求。衬底层级结构的变化源于优化目标的变化。

这种差异会对供应链产生影响，而这种影响在讨论整体产能时很容易被忽略。基板供应商可能拥有开放的生产能力，但其资质取决于能否复制特定的层叠结构、材料体系、尺寸以及设计所需的良率。随着这些组合变得越来越专业化，更换供应商不再像是购买同等零件，而更像是对另一种制造工艺进行认证。

当基板下方承载着昂贵的逻辑和内存芯片时，风险便迅速增加。随着封装尺寸和嵌入式硅芯片数量的增加，英特尔晶圆代工正与合作伙伴携手，将更接近硅芯片的良率基础设施引入基板制造领域。

英特尔的伊布拉欣表示：“归根结底，我努力保持衬底的良好性能，这样在贴上硅片时，就能避免因衬底功能不佳而造成的任何损失。”

这改变了基板质量的经济效益。在封装之前，相对廉价的基板出现缺陷只是一个小问题；而在封装之后，高价值逻辑芯片和高密度基板（HBM）的安装，则会带来更高的成本。随着封装成本的上升，检测、工艺控制和基板认证必须向上游推进，因为封装成本已经无法承受在最后阶段才发现基板缺陷的后果。

同样的逻辑也使得寻找第二供应商变得更加困难。名义上兼容的供应商必须证明其能够满足规格要求，并且需要反复证明，才能保障后续在其基础上组装的所有产品。产能固然重要，但真正可用的产能是指已经过特定架构认证的那部分产能。

物理特性的专门化会在上游造成一些不易察觉的问题。如果设计环境只知道基板的轮廓、布线规则和一些标称材料属性，工程师就无法将其作为电气、热学和机械系统的一部分进行优化。当基板、RDL、中介层和组装工艺来自不同的供应商时，这个问题就变得尤为棘手。

Synopsys 3DIC Compiler平台产品管理高级总监Amlendu Shekhar Choubey表示：“封装基板、RDL和中介层的标准化信息仍然存在很多不透明之处。目前仍然缺乏能够集成到设计流程中的中介层和基板的热性能和功耗特性的材料技术文件。”

热行为取决于整个封装结构，而非任何单个组件。芯片、模具、中介层、基板，甚至封装下方的PCB都会影响最终结果。忽略这些因素会导致热分析出现偏差。随着基板架构日趋专业化，其数字化描述也需要涵盖更多相关的电学、热学和机械特性。

在一个围绕专有流程构建的生态系统中，这很难做到。供应商需要提供足够的信息以进行系统级分析，但又不能泄露使其脱颖而出的制造细节。巴特将材料供应商、设备制造商和晶圆厂描述为各自独立的“黑箱”，它们越来越需要交换足够的信息才能协同迭代。

三菱化学集团市场营销和业务发展高级总监桑吉夫·巴特表示：“没有一种解决方案可以适用于所有情况。每个流程都需要进行一些定制化调整。而这种定制化调整并非一人之力可以完成。必须通过协作才能取得进展。”

在设计和数据基础设施成熟之前，一些底层决策将继续依赖于不完整的模型，然后通过物理测试车辆和鉴定来实现。

人们很容易将每一次基板讨论都变成一个关于技术更迭的故事。有机基板主导了一代技术，硅中介层催生了另一代技术，而玻璃或面板级技术则被视为下一代替代技术。然而，实际的发展路径却变得越来越复杂，因为每一种解决方案在消除一个限制的同时，也引入了另一个限制。

玻璃基板可以提供尺寸稳定性并支持大尺寸规格，但它也带来了新的热膨胀系数（TGV）、粘附性、搬运、碎裂和开裂等问题。有机基板虽然保持了成熟的基础设施和成本优势，但更精细的布线、额外的层数和嵌入式功能不断挑战着它们的性能极限。桥接和扇出方案可以减少对大型硅中介层的依赖，但它们也带来了自身的工艺控制和良率问题。而且，这些方案都无法同时针对所有应用优化功耗、带宽、散热性能、可靠性、成本和可制造性。

更重要的转变在于，基板选择正逐渐提前到系统架构设计的最初阶段。封装设计人员越来越需要决定基板上必须承载哪些元件、布线需要多精细、哪些材料能够承受工艺流程、供应商的产量，以及在最终确定封装方案之前，所有这些因素将如何建模和验证。

随着异构集成将越来越多的电气、机械甚至光学系统集成到封装中，其下方的基板与所支撑的架构之间的分离变得越来越困难。业界不再追求单一基板来统领所有架构，而是正在探索未来需要多少种不同的基板。