高度パッケージングの限界が焦点となる。

主要 takeaway

• 封裝已成為影響性能的關鍵變量。基板材料、鍵合技術以及製程順序，決定了大規模生產時能夠實現的技術上限。
• 翹曲（Warpage）是大多數先進封裝失效的根本原因，隨著封裝尺寸的增大，其控制難度也日益增加。
• 每項提出的解決方案——無論是玻璃基板、面板製程還是背面供電——在解決某一問題的同時，往往會引發另一項新问题。

過去幾年間，摩爾定律的發展重心逐漸從晶體管縮放轉向先進封裝，而該策略的極限如今正開始顯現。AI 與高性能計算（HPC）設計正變得更加龐大且複雜，這將下一個技術壁壘推向了封裝力學與製程控制領域，而不再僅是互連密度單一維度的競爭。隨著結構體積變薄、尺寸擴大以及異質性增強，翹曲、玻璃的脆性、混合鍵合收率、暫時性鍵合的波動以及基板限制等問題正變得日益難以管控。這些議題是本屆 iMAPS 研討會上的重頭戲，並在近期多場採訪中頻繁出現，所有跡象都指向同一結論：封裝技術已進入一個新階段，機械與製程控制問題正在使得持續的規模化（Scaling）日益複雜化。這之所以重要，是因為封裝如今已緊密地處於系統性能的核心位置。我們再也不能將先進 AI 系統的架構單純視為圍繞在真正創新之外的被動殼層來討論了。供電傳輸、熱管理、互連密度、基板行為以及製程順序等所有因素，共同決定了「能製造出什麼」以及「能以經濟效益製造出什麼」。正如 NVIDIA 高級技術集團主管 Sandeep Razdan 在本屆 iMAPS 開幕演講中所說：「實際上推動當前性能的關鍵，並非 GPU 每卡的運算能力（FLOPs）、Teraflops 或 Petaflops 數量，而是整體的系統架構與系統性能。」一旦系統架構成為性能驅動力，封裝便不再僅僅是下游的實作細節，而轉化為性能方程式的一部分。此時，基板、載體、鍵合介面、熱傳導路徑以及製程步驟的执行順序都變得至關重要。

這些要素之間存在著深刻的相互關聯性。翹曲會影響吸盤對位（Chucking and Alignment），而對位精度則直接影響鍵合收率。玻璃雖能改善平整度與尺寸穩定性，但也引入了脆性及不同的失效模式。為了進行背面製程而進行減薄時，則高度依賴暫時性鍵合材料、研磨均勻性以及清潔脫離工藝。即使是基板的短缺問題，也不僅單純是供應鏈所致，更反映了對以下平台的廣泛不確定性：在 AI 封裝的機械特性、電氣性能及經濟效益上仍能持續擴展的平台究竟有哪些。

翹曲（Warpage）成為核心挑戰

翹曲或許是我們分析問題最值得切入的起點，因為它深植於眾多其他問題的根源之下。它並非僅是在組裝後期才顯現的惱人現象；更常見的情況是，它是從最初就堆疊在材料與結構不平衡所導致的可見結果。隨著封裝尺寸的擴大、有機材料上放置更多矽晶體、以及將具有不同熱機械行為的多層材料置於日益複雜的製程流程中，這些初始的不平衡會變得越來越嚴重。「面板翹曲本質上是熱機械膨脹係數（CTE）不匹配與堆疊剛度不平衡所驅動的，」Brewer Science 先進半導體封裝戰略技術師 Hamed Gholami Derami 指出。「同一堆疊中使用了多種類型、具有不同玻璃過渡溫度（Tg）的聚合物。任何一種材料的溫度超過其 Tg 後，彈性模量會急劇下降，且熱膨脹係數（CTE）增加，從而導致翹曲加劇。其他影響面板翹曲的因素包括：層厚（正相關）、聚合物的固化收縮（會產生殘餘應力並增加翹曲），以及堆疊中的銅/金屬密度（銅越多，翹曲越嚴重）。」

這意味著，先進封裝不再是由窄範圍材料組成的、相互作用可合理預測的相對簡單結構。它們是機械非對稱系統。不同的層以不同方式膨脹、軟化、收縮並儲存應力。一個堆疊在某種溫度下看似穩定，換另一種溫度則可能失去穩定性。能夠改善一種材料性能的固化步驟，可能會扭曲另一種材料。富銅區域若能提升電氣性能，卻也可能改變剛度平衡並增加變形。當封裝變大且對位預算日益緊迫時，這些問題將變得更具後果。「在封裝領域，這真是『百無是處』的最佳寫照，」Amkor 晶粒/F C BGA 整合副總裁 Mike Kelly 評論道。「你最初使用具有高 CTE 值的有機基板，然後在其上堆疊大量低 CTE 值的矽晶體。因此，整體處於失衡狀態，一旦升溫，絕對無法保持平整。」

這就是為什麼在研討會上，關於面板製程與玻璃基板的討論經常相互交織的原因。隨著模組尺寸增加，晶圓級的經濟效益與良率變得不再具有吸引力，促使業界對面板級製程產生更大興趣。「玻璃是一種與矽完全不同的材料，其製造工藝也截然不同，」Synopsys 資深產品經理 Lang Lin 指出。「您嘗試製作的面板玻璃尺寸越大，觀察到的翹曲就越明顯。我們現在談論的是微米級別的翹曲，但使用玻璃基板時，翹曲可能會更大。涉及玻璃面板的半導體封裝製程中，翹曲與殘餘應力是累積效應。」

這種擔憂在本屆 iMAPS 的多次演講中反覆出現，無論當前的主題是扇出型封裝、玻璃載體還是更先進的晶粒堆疊技術。在尺寸較大且節距較細的情況下，過去或許只需透過製程調整即可修正的微小彎曲（Bow），如今可能會引發對位問題、處理困難以及良率下降。「我們會進行一定程度的模擬，以預先預測翹曲情況，然後有特定的調節手段可以控制翹曲，」Amkor 晶圓服務事業部資深經理 Knowlton Olmstead 表示。「組裝過程中允許容忍一定量的翹曲，但如果翹曲過大，就會導致嚴重問題。」翹曲不僅僅是模擬輸出的數據或材料科學的抽象概念；到了某個臨界點，它就成為一個簡單的問題：結構是否仍能被穩固持握、精確對位並重複加工。

玻璃解決了一些問題，卻製造了新的問題

翹曲之所以持續使玻璃成為先進封裝製程中的面板選項候選人，其主要原因之一就在於此。從理論上看，玻璃具備許多吸引人的特性：它平整、尺寸穩定，且與矽晶圓的熱膨脹係數匹配度遠高於多數有機材料。在載體應用上，它也為脫離（Debonding）與對位提供了有益的光學選項。「玻璃非常穩定且極度平整，」ASE 工程項目經理 Wiwy Wudjud 指出。「它能與矽晶圓的 CTE 非常緊密地匹配。正因如此，使用玻璃載體可以顯著減少製程中的翹曲。」

較為平整的結構更容易進行精準鍵合；與矽較接近的熱學匹配則減少了應力的主要來源之一。對於細節距製程而言，這兩者都能直接提升對位準確度與製程重複性。玻璃還提供透明性，使其適合用於光學對位以及依賴紫外線或雷射進行脫離的載體應用。

然而，玻璃並非消除了機械問題，而僅僅是將它們轉移到了其他地方。雖然玻璃減少了翹曲，但它引入了一種更易脆斷的材料，具備不同的失效模式，且對操作不當的容忍度極低。隨著玻璃載體尺寸增大並在先進封裝製程中被更廣泛使用，邊緣損壞、缺角、微裂痕以及製程導致的缺陷已變得難以忽視。「玻璃載體不再僅是一種替代材料，」Wudjud 在 iMAPS 演講中表示。「它雖帶來許多效益，但玻璃本質上具有脆性，這引入了可靠性疑慮，特別是晶圓邊緣（最薄弱點）的開裂與微裂痕問題。」

即使材料是平整且熱學性能理想的，也可能以難以早期偵測的方式失效。當材料的局部損傷容納度較低時，邊緣損傷、微裂痕以及累積的操作缺陷就變得尤為關鍵。如果載體回收重複使用，問題會更加嚴重，因為微小的瑕疵可能隨著時間推移而擴展，在發生明顯故障之前降低材料的韌性。ASE 在本屆 iMAPS 的演講中特別關注了這一議題，強調玻璃邊緣相關的損傷並未被傳統方法充分捕捉。該公司甚至開發了一種擺錘衝擊測試，以更真實模擬實際處理與封裝應力下的邊緣韌性條件。「最薄弱點就在邊緣，」Wudjud 表示。「像玻璃這樣的脆性材料一旦發生故障，就會迅速從邊緣開始，而傳統測試並不能完全捕捉邊緣損傷或實際的操作條件。」

混合鍵合隨著節距縮小而難度增加

混合鍵合（Hybrid Bonding）常被視為密度縮放邏輯上的下一步，而在許多方面確實如此。它提供了緊密晶粒對晶粒整合所需的互連密度與電氣性能，特別是當 AI 與 HPC 架構持續追求在更小的空間內獲得更大頻寬時。然而，隨著節距（Pitch）不斷縮小，製造挑戰也隨之改變。在較大節距下，收率仍主要受缺陷與污染影響；而在較小節距下，應力開始以隱形且難以控制的方式成為主導。「對於 5 微米以上的節距尺寸，收率主要由缺陷決定，」Brewer Science 的 Derami 指出。「但隨著我們縮小節距，逐漸進入應力主導 regime；當節距低於 2 至 3 微米的臨界點時，收率主要受應力驅動。這主要是由於較小節距下銅密度更高，導致因銅膨脹與介電質約束而增加的機械應力所致。」

這一區別至關重要，因為它改變了混合鍵合的動態機制。雖然污染控制與表面形貌控制在傳統上仍是關鍵，但一旦銅密度增加且介面變得更具機械約束性，封裝就可能面臨一類新的問題。應力成為主導失效物理機制的一部分，意味著它不再僅僅是緊跟在清潔度後面的次要顧慮。因此，隨著節距繼續縮小，單純改善缺陷控制已不足以為維持收率。「銅基混合鍵合對任何顆粒污染都極度敏感，因為本質上這是玻璃對玻璃的介面，」Kelly 表示。「沒有有機材料作為緩衝（Compliance），只需一個奈米級別的顆粒，就會將整塊玻璃翹起，導致晶圓上一大批單元失效。」

在較為順應性（Compliant）的結構中，微小的局部缺陷可能被部分吸收或容忍；但在銅基混合鍵合中，這種容忍度要低得多。挑戰不僅在於保持表面清潔，還需管理平整度、氧化層與銅的形貌、退火行為以及更高密度互連結構的機械相互作用。「若從 IC 架構的角度來看，這就是我們開始進入混合鍵合領域的原因，因為它是必需的，」Cadence IC 封裝與產品管理集團主管 Mark Gerber 在本屆 iMAPS 的演講中表示。「必須採用混合鍵合，而推動這一做法的主要原因是時序考慮因素。在對不同 IP 區塊進行矽晶設計與整合時，速度以及這些元件的時序敏感性至關關鍵。」

圖 1： Cadence 的 Mark Gerber 在本屆 iMAPS 討論三維晶粒/晶圓堆疊技術。來源：Gregory Haley / Semiconductor Engineering

我們 pursue 混合鍵合並非因為它容易操作，而是因為傳統的互連方案在頻寬、延遲與供電需求面前日益捉襟見肘。因此，封裝工程師正被推向一個同時對兩個方向變得更加敏感的製程環境。它仍高度易受污染影響，同時隨著節距縮小也變得更容易受到應力衝擊。工程負擔正從解決單一主導問題，轉向同時解決多個緊密耦合的問題。

這也解釋了為何模擬與製程共同優化（Co-optimization）正在承擔更重大的角色。企業需要在製造失效顯示於良率之前，就能對翹曲與應力進行建模；這一點對於混合鍵合尤為適用，因為微小的幾何或機械變異可能會傳遞並放大為下游整合問題。

背面處理成為精度預算的一部分

朝向更薄、密度更高且性能更優的結構發展（這使得混合鍵合變得具有吸引力），也使得背面處理變得更加困難。隨著晶粒被更激進地減薄，其下方的支撐材料便成為整體精度預算的一部分。研磨、暫時性鍵合、脫離與清潔不再是可以容忍廣泛製程變異的次要步驟。「隨著器件越做越薄，研磨製程變得至關重要且更具挑戰性，」Derami 指出。「暫時性鍵合材料的總厚度變化（TTV）直接影響減薄後器件的品質與均勻性，必須控制在足夠低的水平，以允許極度減薄，尤其是針對 HBM DRAM 晶粒。」

過去，暫時性鍵合材料更多被視為起輔助作用的層，有益但處於背景地位；隨著器件厚度持續縮小，這不再是那樣的情況。如果暫時性鍵合層的厚度變異過大，研磨結果也會隨之波動。這種變異隨後會影響下游對位、機械穩定性及良率。載體與接著系統不再僅僅是促進製程進行的工具，而是正在定義精度的極限。

先進封裝不再由一系列可獨立優化的單位製程組成，而正在變成累積的機械歷史紀錄。在一個步驟中引入的應力會影響下一個步驟可用的餘量。某一製程後的位置偏移，可能會縮緊下一輪製程的對位公差。早期看似可管理的翹曲問題，隨著額外層的堆疊與熱 excursion 的加入，後來變得極難修正。「每個步驟都會向系統引入某種應力，」Synopsys 的 Lin 表示。「必須確保每個步驟不會產生過多應力，以免影響下一道工序的正常進行。」

背面製程提供了一種巧妙的配線創新，但也帶來了製造負擔。它改變了器件結構的支撐方式、清潔處理、對位精度以及保持完整的過程。暴露或減薄後的矽晶有助於熱傳導路徑設計，但也使封裝在後續步驟中變得機械非對稱且難以管理。「使用背面供電技術時，您會在頂部放置載體晶片，因為最終必須將Bulk 矽減薄至約 5 微米，」Amkor 的 Kelly 表示。「您幾乎要移除所有基底材料，然後從同一側引出供電與 I/O 訊號，這恰恰是我們習慣的反面。」

殘留物與污染則使這一負擔更加沉重。暫時性鍵合層在脫離後可能會留下殘留物，如果清潔不當，這些殘留物會在下游引發問題。減薄這個物理動作本身只是挑戰的一部分；組裝過程還必須從支撐與脫離序列中潔淨地脫身，以確保能順利通過剩餘的製程步驟而不引入新的良率限制因素。

基板短缺實則是基板極限已到頭

基板的短缺議題多年來常被討論為供應鏈問題，這仍是故事的一部分，但問題現在已大於單純的可用性。先進封裝正逼近傳統基板平台所能優雅承載的極限，隨著模組尺寸、功率與複雜度的增長。「大家都在追求這些技術，但 200mm 基板根本不夠用，」Amkor 主流事業部資深副總裁兼總經理 Joe Roybal 指出。

需求持續高漲，而產能並未總是能整齊地匹配先進封裝計畫的需求。封裝尺寸的增长速度快於現有方法在機械與經濟餘量上的信心。「隨著模組尺寸不斷增加，晶圓內無法容納大量單元，且成本與良率數據在晶圓規模下變得不合理，」Applied Materials 的製程整合工程師 Poulomi Mukherjee 在本屆 iMAPS 演講中表示。「若要追上需求，我們必須轉向更高規格的形式因子，也就是面板級製程。」

這也是為什麼玻璃、面板製程以及替代基板概念會持續在同一對話中浮現的原因之一。業界正在尋找一個平台，能夠支持更大模組、更緊密的整合，以及更具挑戰性的熱與供電需求，而不致於在其自身的機械複雜性下崩潰。問題在於，每一項提出的解決方案都在解決一類問題的同時，暴露出另一類問題。面板製程或許能改善經濟效益，但會放大翹曲與累積應力；而背面技術或許能提升電氣性能，卻需要更激進的減薄與嚴格的製程控制。

顯然，新平台的採用在各個應用領域中將不會是均一的。iMAPS 上對玻璃的熱情主要源自於 AI、HPC 以及先進整合議題的討論，但這並不表示每個市場都準備好做出同樣的轉變。「我看不到汽車產業會採納玻璃技術，」Amkor 的 Roybal 指出。

汽車封裝在認證標準、可靠性要求及成本預期方面，與 AI 加速器或最先進的 HPC 模組有極大的差異。在汽車市場中，經過驗證的封裝類型與長期可靠性往往比新基板平台的承諾更具分量。

結論

本屆封裝討論中最清晰的教訓是：下一個階段的縮放將少依賴於任何單一的突破，而更多取決於整個製程堆疊是否足以穩定以支持進一步擴展。翹曲影響對位與處理；處理不當導致裂紋形成與邊緣損壞；減薄影響均勻性、應力以及污染風險；混合鍵合雖提升了密度與頻寬，但隨著節距縮小，它對顆粒與應力都極度敏感。過去看似獨立的問題，如今已是同一製造問題的互賴部分。

業界的障礙已不再純粹是電氣性質的挑戰。工程師固然可以構想更先進的封裝架構，但要建立能夠重複製造、清潔操作且經濟可行、進而進入持續量產的架構，仍是一大挑戰。真正的限制在於跨越多種材料、機械行為、熱歷史以及良率管理的製程整合紀律。

這一挑戰已經正在重塑專家們對該領域的討論方式。朝向更大模組與更緊密晶粒對晶粒整合的發展，正迫使業界採取更全面（Holistic）的觀點，將基板選擇、載體策略、面板平整度、銅密度、脫離清潔度以及製程順序等視為整體來考量。若某個解決方案在局部解決了一個問題，卻在兩步之後造成更大的機械懲罰，那麼僅解決該單一問題已不再足夠。縮放現在越來越依賴於在製程窗口關閉之前，預先 anticipate 整個結構的行為表現。

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