起點 · Wafers & the fab
晶圓與廠房Wafers & the fab
電路還沒印上去以前，要先有晶圓和一座晶圓廠：矽以外，功率元件要用兩千多度長出來的碳化矽，雷射和射頻要用一層層磊晶長出來的砷化鎵、磷化銦；這些晶圓都在無塵室裡，靠天花板上的天車一站一站搬。
1.1工廠 · 無塵室、天車、水與電
晶圓廠The fab
整座工廠就是一台機器：無塵室的換氣、天車搬運、每片晶圓的水電與週期時間。
一顆晶片在廠裡走兩到四個月：風扇過濾機組與換氣、天花板上的天車、每片晶圓的用電與用水、週期時間。
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1.2材料 · 8 吋晶棒
碳化矽長晶SiC crystal growth
電動車與 AI 電源用的碳化矽晶圓，從爐子裡慢慢長出晶棒，再切成一片片。
兩千多度的爐子裡慢慢長出碳化矽晶棒：長晶速率、線鋸與雷射切片、缺陷與良率，以及 8 吋對 6 吋的成本。
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1.3材料 · 砷化鎵、磷化銦、氮化鎵
化合物半導體Compound semiconductors
AI 光通訊的雷射靠砷化鎵、磷化銦：材料的能隙決定波長，MOCVD 一層層長出元件。
手機射頻與 AI 光通訊的雷射：能隙與波長、MOCVD 磊晶、VCSEL 的反射鏡與氧化孔徑，以及 1.6T 光模組的雷射缺口。
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前段 · Wafer fab
晶圓製造Wafer fab
一片 300 mm 的矽晶圓在晶圓廠裡要走上千道步驟、兩三個月：微影把電路圖案印上去，蝕刻和沉積做出電晶體，再往上疊十幾層金屬導線。最先進的節點，光源、電晶體結構和供電方式都在同時換代。
2.1光源 · 錫滴、雷射與反射鏡
EUV 光源EUV light source
最小的圖案靠 13.5 nm 的極紫外光印出來；這一頁拆開產生這道光的光源。
每秒五萬顆錫滴，先被打扁、再被 40 kW 的雷射打成電漿：13.5 奈米的光怎麼做出來、收集鏡怎麼保護，十面反射鏡後到晶圓還剩多少。
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2.2製程 · 電晶體與微影
電晶體與曝光GAA, CFET & High-NA EUV
光印好以後，電晶體的結構決定它關不關得緊：FinFET → 奈米片 → CFET，以及 High-NA 曝光。
從 FinFET 到閘極全環奈米片、Forksheet 和 CFET，閘極怎麼把電流關緊；以及 High-NA EUV 的解析度、焦深、多重曝光和成本。
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2.3供電 · 把電源搬到晶圓背面
背面供電Backside power
電晶體上面的導線越來越擠，把供電改從晶圓背面進來，是 2 nm 以下的新做法。
電源線改從晶圓背面進來：電壓降地圖、晶圓接合與薄化的對準難題、散熱的代價，以及雷射除錯為什麼不再管用。
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2.4製程 · 每一層都要磨平
化學機械研磨CMP
每一層導線做完都要磨平到幾奈米，下一層才蓋得上去；越先進要磨越多道。
Preston 定律的壓力與轉速、銅導線的碟形凹陷與侵蝕、研磨墊與鑽石碟，以及越先進的製程要磨越多道。
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2.5記憶體 · 三百層與一個深孔
3D NAND3D NAND
記憶體改成往上疊：三百多層，再挖一個 100 nm 寬、好幾微米深的孔。
把記憶體疊到三百層以上，再挖一個 100 奈米寬、10 微米深的孔：位元密度、低溫蝕刻、分節對準與每位元成本。
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2.6檢測 · 找出幾奈米的缺陷
電子束檢測E-beam inspection
每做幾步就要檢查：光學先掃，再用電子束找出幾奈米的缺陷、量尺寸和疊對。
光學與電子束看得多小、多束電子束的產能、電壓對比抓斷路與短路，以及 CD-SEM 與疊對量測。
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中段 · Wafer sort / CP
晶圓針測Wafer sort / CP
晶圓做完還沒切開，先用探針卡把每一顆晶粒量過一遍，壞的標記起來，不讓它浪費後面昂貴的封裝。探針卡本身就是一塊精密的板子：主板、補強板、MLO 載板和上萬根探針，出廠前還要經過一連串測試。
3.1第 1 站 · 晶圓針測
探針卡拆解實驗室Probe Card Lab
整張探針卡拆開來看：探針怎麼對準、壓上鋁墊、量出好壞。
把晶圓針測用的探針卡一層層拆開：主板、補強板、MLO 載板、探針頭，看探針怎麼對準、壓上鋁墊、量出好壞。
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3.2第 2 站 · 空間轉換
MLO 載板實驗室MLO Lab
探針的間距只有幾十微米，靠這塊多層載板一層層扇出到主板。
探針卡裡把細間距扇出到主板的多層陶瓷／有機載板：增層製程、熱膨脹與翹曲。
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3.3第 3 站 · 出貨測試
出貨前測試實驗室Test Lab
探針卡出貨前要過的檢查：光學、飛針、四線量測、X 光、平整度。
光學檢查、飛針、四線量測、X 光、平整度、上機診斷：放進缺陷，看哪一站抓得到。
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3.4遊戲 · 八個關卡
找出它的極限Probe Card Lab: the game
實際當一次針測工程師：八個關卡，調出不誤判、不傷鋁墊的設定。
你是針測工程師：八個真實會遇到的狀況，調出不誤判、不傷鋁墊、不壓壞探針的設定。
8 個關卡
後段 · Advanced packaging
先進封裝Advanced packaging
量過的好晶粒切下來，不再一顆一顆單獨包，而是和 HBM 記憶體一起並排放在中介層上、甚至往上疊。AI 晶片越做越大，基板材料、記憶體堆疊和晶片之間的光互連，都是這幾年封裝廠在拚的事。
4.1第 4 站 · 2.5D／3D 封裝
先進封裝實驗室Packaging Lab
一顆 AI 加速器怎麼組起來：矽中介層、微凸塊、混合鍵合，以及翹曲和散熱。
拆開一顆 AI 加速器：矽中介層、HBM、微凸塊與混合鍵合；互連密度、良率、翹曲和散熱。
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4.2記憶體 · 疊到極限
HBM 記憶體HBM
封裝裡最貴的零件：16 層 DRAM 怎麼疊進 775 µm、怎麼接合。
AI GPU 旁邊最貴的零件：HBM4 的 2048 條資料線、16 層 DRAM 怎麼塞進 775 µm、三種接合方式，以及疊高之後的散熱與良率。
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4.3封裝 · 玻璃核心與方形面板
玻璃基板Glass core & panel
封裝再放大，有機基板會翹，下一步是玻璃核心與方形面板。
AI 封裝越做越大：有機與玻璃核心的翹曲、焊點的取捨、圓形晶圓與方形面板能放幾顆，以及玻璃通孔怎麼打、為什麼會裂。
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4.4光互連 · CPO 與矽光子
共封裝光學Co-packaged optics
交換器晶片的對外連線，從電改成光，光引擎直接放進封裝裡。
AI 交換器為什麼要把光模組搬到晶片旁邊：每埠功耗、微環調變器與加熱器、光鏈路預算，以及光引擎怎麼在晶圓上做光學測試。
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4.5封裝 · 銅對銅、不用焊錫
混合鍵合Hybrid bonding
兩顆晶片面對面、銅墊直接貼合：沒有焊錫，接點間距從 9 µm 縮到 4.5 µm。
台積電 SoIC、AMD V-Cache 怎麼把兩顆晶片面對面直接貼合：接點間距與密度、銅墊凹陷與退火、微粒造成的空洞，以及晶片對晶圓的對準。
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4.6顯示 · 巨量轉移
Micro LEDMicro LED
同樣是把小晶粒搬上去，Micro LED 一次要搬幾千萬顆，一顆都不能少。
一台 4K 電視 2,488 萬顆 LED：印章、雷射與流體巨量轉移、良率與備援修補，以及晶粒縮小後的效率損失。
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後段 · Final test
成品測試Final test
封裝好的晶片要再量一次：放進測試座，接上測試機做功能、速度和功耗分級，確認封裝過程沒有把它弄壞。測試板上幾十 Gbps 的訊號和上千安培的電源，本身就是一門設計。
系統 · Into the rack
裝進機櫃Into the rack
測過的晶片焊上主板、插進伺服器，最後幾十顆 GPU 擠在同一個機櫃裡：一櫃一百多千瓦的熱要帶走，上千安培的電要送到 0.75 V 的核心。晶片的極限，最後常常卡在散熱和供電。
6.1散熱 · 從風扇到微流道
AI 機櫃散熱AI rack cooling
一櫃 132 kW 的熱怎麼帶走：風冷、冷板液冷到矽裡的微流道。
一櫃 132 kW、下一代 600 kW：風扇的極限、冷板液冷的流量與水溫、GPU 的熱阻，到把流道刻進矽裡的微流道。
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6.2供電 · 從電網到 GPU 核心
800V 供電800 V power
從電網到 GPU 核心的每一級轉換：54 V、800 V 直流與垂直供電。
GPU 核心 0.75 V、一千多安培：54 V 與 800 V 直流的電流與用銅、每一級轉換的效率、碳化矽與氮化鎵，以及最後一吋的垂直供電。
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幾個常見的詞
看模型時會一直遇到的名詞，先在這裡說清楚。
- 前段 / 後段
- 前段是晶圓廠裡做電晶體和金屬導線的上千道步驟；後段是晶圓完成以後的針測、切割、封裝與成品測試。
- CP 晶圓針測
- Chip Probing。晶圓還沒切開時，用探針卡逐顆量電性，把壞的晶粒標記起來，不浪費封裝成本。
- FT 成品測試
- Final Test。晶片封裝好之後放進測試座再量一次，確認封裝過程沒有出問題，也做分級。
- KGD
- Known Good Die，確定是好的晶粒。HBM 和 2.5D 封裝要把很多顆晶粒放在一起，任何一顆壞了整顆報廢，所以針測更重要。
- 2.5D / 3D 封裝
- 把邏輯晶片和記憶體並排放在矽中介層上（2.5D），或直接往上疊（3D），讓晶片之間的導線短而密。
- MLO
- Multi-Layer Organic／多層載板。探針卡裡把探針頭的細間距一層層扇出、接到主板的那塊板子。