为什么晶圆是圆的？废品芯片又去哪了？

为什么晶圆是圆形的，而芯片却是方形的？

芯片工程师两手一摊表示，这锅我不背，这是制造工艺所决定的。

众所皆知，芯片制造是非常复杂的过程。

光是原材料这边，要先将硅含量相对较高的硅石，放到一个石墨坩埚里面进行冶炼，然后通过提纯和直拉法，得到一根圆柱形的硅棒。

接下来，通过切割、研磨和抛光，一根硅棒被加工成一片片平整光滑的圆形晶圆。

接着送往晶圆厂，进行后续的光刻、蚀刻等操作，使其拥有错综复杂的逻辑电路。

这么一通操作下来，晶圆上就布满了芯片。

最后，经过各方面测试后，再对晶圆进行切片，就得到日常见到的方形芯片了。

之所以选择圆形的晶圆，是因为圆形结构在冷却、切割、搬运和加工过程中受力均匀，减少了断裂和破损的可能性。

虽然切割芯片会产生一些浪费，但考虑到整体制造工艺的效率和稳定性，这种浪费是可以接受的。

那么，一块12寸的晶圆，具体可以做出多少块芯片呢？

12英寸晶圆的表面积大约为70659平方毫米。

按照一颗芯片100平方毫米来计算的话，理论上可以生产出700多块芯片，但这是不可能的。

原因前面也提到了，因为芯片是方的，而晶圆是圆的，一定会有边角料留下。

因此，如果按照晶圆85%的利用率来计算，那么大概是600块。

但考虑到良率等原因，实际能生产的芯片大约在500块左右。

而在这500块芯片中，还存在着“残血版”，毕竟一颗芯片上集成了几百亿个晶体管，不可能一个都没问题。

于是，厂家本着“物尽其用”的做法，将它们降级使用。

比如，之前一颗有9个核心的芯片，坏了一个核心，没事，厂家会将出错的核心锁起来，其他核心还能正常使用，于是就变成了8核芯片。

以此类推，所以就有了i9、i7、i5、i3的区别。

如果核心没有损坏，但芯片的某些部分表现不佳，比如电压、频率测试等出错了，那么型号也不一样。

同样的，厂家会对其进行分类售卖，比如 i9-10900F, i9-10900T，i7-10700K等，主打的就是不浪费。

对于苹果M系列的芯片来说，也存在着同样操作，比如M3 Ultra、M3 Max以及M3 Pro。

不过，随着芯片制程越来越高端，制造工艺也会越来越复杂，出错的几率随之增加。

因此，良品率就成了芯片厂商最重要的挑战。

据说，早期三星的4nm良率仅为35%，而台积电4nm良率被认为是70%。

当然，后来随着工艺的改进，两家厂商的良率都所有提升，但是三星还是稍逊于台积电。

AI芯片产能告急，矩形晶“圆”来当救星？

一项新的封装技术即将崛起？

台积电赚麻了！也造不动了！

经多家媒体证实，台积电3nm代工价格将在明年上调5%，同时，CoWoS先进封装价格将上涨10%-20%。但即使涨价，客户们依然选择在台积电下单，反观三星没有获得任何大客户的转单订单 。

出现这种情况，主要还是因为三星3nm工艺良率过于拉胯。比起价格，客户优先考量的还是良率。

也正是因为客户抢着预订产能，台积电3nm家族产能的持续吃紧，而与AI芯片关系密切的CoWoS先进封装产能同样出现供不应求的情况。

为了缓解产能缺口，台积电预计在今年第三季度将新增的CoWoS相关设备到位。除此以外，台积电还在研究新的先进芯片封装技术 。

矩形晶“圆”，一种新思路

据日经亚洲报道，台积电在研究一种新的先进芯片封装方法，即使用矩形基板代替传统圆形晶圆 ，从而在每个晶圆上放置更多的芯片。

据消息人士透露，这种矩形基板尺寸为510 x 515 mm，对比12寸晶圆的尺寸（70659平方毫米），可用面积达到了三倍之多，并且不像圆形晶圆一样有可用面积有边角料留下。

据分析师估算，在100%的良率下，一块12寸晶圆只能造出16套B200这样的AI计算芯片。即使是较早的H100芯片，最多也只能封装大约29套。

而从供应链的角度来看，仅英伟达一家对CoWoS的需求就超过4.5万片晶圆，更不要说谷歌、亚马逊、AMD等厂商都在使用台积电的CoWoS封装技术。

随着需求持续攀升，英伟达的GPU供应能力将进一步受到限制，这是买卖双方都不愿意看到的结果。

不过，目前该这项研究仍然处于早期阶段，有半导体分析师认为，整体来看，这一技术可能需要五到十年的时间才能实现全面的设施升级。

因此，想要解决 CoWoS产能问题目前只能先靠增加产线的方式。

业界传出，台积电南科嘉义园区CoWoS新厂已进入环差审查阶段，即开始采购设备。同时，南科嘉义园区原定要盖两座CoWoS新厂之外，台积电正勘察三厂土地。

另外，业内类似CoWoS类似的2.5D先进封装技术还有三星的I-Cube（Interposer Cube ）、日月光的FOCoS-Bridge、英特尔的EMIB等。

最强AI芯片,点燃面板封装产业链

其实在英伟达发布新一代AI芯片GB200时，就已经透露了这种矩形晶圆封装技术。

为了缓解CoWoS先进封装产能吃紧问题，英伟达正规划将其GB200提早导入扇出面板级封装（FOPLP） ，从原订2026年提前到2025年。

对比晶圆级封装（FOWLP），面板级封装使用方形的玻璃面板或印刷电路板，尺寸也不仅仅是510 x 515mm，还有更大的600 x 600mm。

据Yole的报告计算，FOWLP技术的面积使用率<85%，而FOPLP面积使用率>95%，这使得同比例下，300x300mm的矩形面板会比12寸晶圆多容纳1.64倍的die，最终会转化到每单位芯片的生产成本之上。

随着基板面积的增加，芯片制造成本将逐渐下降，300mm过渡到板级封装，则能节约高达66%的成本。

因此单从经济角度考虑，FOPLP对比晶圆封装有多项优势。而更重要的则是FOPLP可以缓解CoWoS产能吃紧的问题，从而保证AI计算的需求。

不过矩形基板，其实早有尝试。为了在基板上形成布线层和TSV，需要用到专用的制造设备和传输系统，并且需要光刻胶等一系列配套设备。而这些的准备工作，都需要时间和金钱，即使像台积电这样拥有深厚财力的芯片制造商，也不能在短时间内解决 。

因此在先进封装相关设备制造商投入相应产品前， CoWoS 技术依然是AI芯片的首选。

不过随着产业链上下游厂商的不断关注和入局，这项面板级封装技术也会逐渐走向现实。

本文作者：jh，观点仅代表个人，题图源：网络

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