16/07/2024
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媒體報導，台積電與材料商正在試著打造「長方形」的基板，這樣就不會像目前在「晶圓」上封裝那樣，在封裝階段浪費掉那麼多邊邊的材料。
粗略地說，目前做法有點像你在圓形蛋糕上塗滿奶油雕花，但最後卻切成方形賣給客人，白白浪費邊緣的奶油。（這個比喻有點簡化得太多了，還請專業讀者諒解。🙏）
我們不禁好奇：既然裁切晶圓勢必造成浪費，那為什麼大家都要把晶圓做成圓形，再裁切方形晶片呢？不能直接做成「晶方」嗎？
▍讓矽原子聽話排列的秘密
原來，你我手機中的晶片，必須由純度 99.9999999%（簡稱9N）的「矽」製成，而且矽原子還必須按照特定方向來排列才行。可是我們要怎麼讓矽原子乖乖排好？
現行的工法，是將矽放在鍋子裡加熱熔化，再從上方伸入「晶種」；熔化的矽原子碰到晶種，就會按照我們想要的方向來排列。這時，只要一邊旋轉晶種，一邊把晶種慢慢拉上來；這樣，冷卻凝固的矽原子就會排列整齊，形成一根「矽晶棒」了。
接下來，像是切香腸一樣，將圓柱形的矽晶棒切成薄薄的「晶圓」，就可以進行後面的工序。也因為我們需要「旋轉」才能取得排列整齊的矽，因此「晶方」是不可行的。
既然圓裡求方勢必會浪費掉邊邊的材料，那設計公司就必須先想清楚，自己到底需要多大的晶片，算好成本與利潤，才向代工廠下單。如果沒有精打細算，浪費的錢錢可不是開玩笑的！
▍12 吋晶圓可以裁出幾塊晶片？
目前最主流的晶圓是 12 吋晶圓。12 吋約等於 304.8 mm，但一片 12 吋晶圓實際上的直徑是 300 mm，所以一片晶圓的面積大約是 150 × 150 × 3.14159 ≒ 70,685 mm²。
Apple 的 M2 晶片約是 155.25 mm²。假設 M2 是邊長為 12.46 mm 的正方形，那麼一片晶圓最多可以生產幾塊 M2 晶片呢？
直接用 70,685 除以 155.25，會得到 455；可是圓形畢竟無法全部裁成方形，這樣相除並不合理。在最佳的排列下，電腦幫我們算出：一片晶圓只能切出 392 塊 M2 晶片。這還沒有考慮到良率的問題，有些晶片可能會不小心做壞了。
這樣一來，155.25 mm² × 392 = 60,858 mm²。實際上可以拿來販賣的部分，只佔了整片晶圓的 60,858 ÷ 70,685 = 86%，或更少。
可是，生產晶片的每道工序畢竟都很昂貴。既然蛋糕做成圓形無法避免，那節省一點奶油也好吧！如果可以先從圓形蛋糕切下方形，放到長方形奶油上，再切成方形奶油蛋糕，是不是就可以再節省一點奶油呢？
▍困難重重的長方形基板
媒體報導，目前台積電與材料商正在研發的長方形基板，尺寸是 510 mm × 515 mm = 262,650 mm²。這種方法仍然需要從晶圓上裁切方形晶片，但可以在「封裝」階段（後續的高科技加工）省下很多成本。如果研發成功，長方形基板的面積，就直接超過 12 吋晶圓的 3.7 倍！封裝過程中浪費的材料（奶油），比例也會更少。
同樣以 M2 晶片來舉例的話，這種長方形基板可以切出 40 × 41 = 1,640 塊 M2，使用到的面積逼近基板的 97%！當然，這個估算非常粗糙；考慮到良率，實際比例會再少一點。
事實上，「用長方形基板來提高使用率」這個想法並不新鮮，早就有人提出過。只是實際做起來非常複雜，需要考慮很多因素。比方說，過去晶圓邊緣的良率較低，所以廠商也就沒有特別在意要充分利用邊緣；如今晶圓邊緣的良率提高了，而製造技術又已經接近極限，於是這樣的想法又重新受到關注。
但從媒體釋出的訊息來看，目前這項技術還處於早期階段，仍有很多困難必須克服。就算開發出來，初期的價格可能也不夠甜美。
隨著 AI 晶片的發展，有些晶片的面積越來越大。要在晶圓上封裝大型晶片再切掉邊邊，就顯得浪費。未來，科技公司能不能真的善用長方形基板來節省成本呢？讓我們拭目以待！
⬢ 為什麼是「晶圓」而不是「晶方」？ ⬡
#晶圓 #先進製造 #先進封裝 #台積電 #密鋪 #鑲嵌
❐ 本文由臺師大電機系賴以威副教授協助審稿 ❐
