马斯克Terafab晶圆厂项目面临多重挑战

Terafab是近十年来最雄心勃勃的项目之一：第一阶段投资168亿美元，四个阶段的总投资额高达1190亿美元。位于奥斯汀的研究型晶圆厂每月生产数千片晶圆，用于迭代工艺配方、晶体管设计和封装方案。位于格莱姆斯县的量产型晶圆厂的目标是每月生产10万片晶圆，首批硅片预计将于2029年问世。埃隆·马斯克已指定英特尔的14A工艺作为量产工艺。

其核心论点是，逻辑电路、存储器和先进封装技术将集中在同一屋檐下。其优势在于：缩短了从掩模修改到最终封装完成的周期，减少了工艺步骤之间的等待时间，并使一个工程团队能够协同设计逻辑电路、存储器和封装，而无需像以往那样由不同的公司跨越时区协商工艺窗口。

但Terafab必须从零开始构建一个已在全球范围内存在的生态系统。一个途径可以解决物流问题，但无法解决包装内部的物理问题。两项包装要求将决定其能否盈利。

目前，HBM堆叠芯片采用铜柱连接，并以锡银焊料封盖，连接方式包括采用模压底部填充（MR-MUF）的整体回流焊或采用非导电薄膜（TC-NCF）的热压焊。随着间距接近20µm，封盖尺寸减小，焊料桥接成为主要风险。未来的发展方向是采用更薄的封盖、锡柱，并最终实现无焊料的铜-铜混合键合。我在加州大学洛杉矶分校的研究团队开发了锡柱来替代焊球，目标是实现10 µm的间距；而60 µm是能够可靠地将芯片与晶圆键合的最小间距。

电镀工艺决定了工艺极限。快速电镀更高的柱体意味着更高的电流密度，这会导致空隙、顶部粗糙和芯片内部高度均匀性差等问题；共面性必须保持在5%以下。

JEDEC 将堆叠高度从 720 微米提升至 775 微米，使得 16 层高的 HBM4 仍能保持在微凸点上，并将混合键合技术推迟到后续世代。尽管其密度约为 14,000 个信号/平方毫米，而 TSV 堆叠的密度约为 1,500 个信号/平方毫米，但混合键合技术仍不可避免。混合键合技术一旦应用，化学机械抛光 (CMP) 将成为影响良率的最大因素：介电层过高会导致铜无法连接；铜层过高则会形成空洞。此外，晶圆等待期间，活化表面也会发生劣化，因此 Q 时间也成为一个良率参数。

这就是单一厂房的优势所在。我会将 Terafab 的首款产品按照其自身的逻辑，并采用已验证的 2.5D 工艺流程，采购 HBM 材料进行生产；同时，研发型晶圆厂会开发混合键合工艺，将其整合为一个集 CMP、活化和键合于一体的模块，并严格控制 Q 时间限制。问题在于：设备间的差异。在奥斯汀验证过的工艺，在格莱姆斯县必须重新验证，才能达到相同的良率。

一旦键合技术成功，接下来就是可靠性问题：这些芯片将在机器人和轨道上运行。

在2.5D工艺中，锡基连接是薄弱环节。随着间距缩小，回流焊或热循环后，每个连接处都会形成更多的金属间化合物。Cu₆Sn₅和Cu₃Sn结构脆性较大；随着它们的生长和粗化，剪切强度会随着每次热循环而下降，直至连接处断裂。热量会加速这种生长，马斯克表示，太空芯片的运行温度将高于标准硅芯片。小凸点中更高的电流密度会增加电迁移空洞。在我进行的锡柱研究中，60 µm间距的芯片-晶圆键合在剪切测试中达到了28.26 N的强度。但决定长期性能的并非初始强度，而是界面处的金属间化合物。

混合键合仍然存在风险：Cu-Cu界面可能存在空隙，且铜在退火过程中会膨胀并与介电层发生相互作用。我的方法是分别对数据中心、Optimus和航天部件进行热循环、电迁移和高温存储性能的评估；将镍阻挡层视为减缓金属间化合物生长速度和保证共面性之间的一种权衡；并计划过渡到纳米孪晶铜，其键合温度约为200°C，而非300°C以上。

Terafab 的目标是每年为 Optimus、Cybercab、xAI 和 Orbital 数据中心提供超过 1 太瓦的 AI 计算能力。封装是这条产业链中最缺乏验证的环节，所以我建议分阶段进行：

1. 首先购买成熟的封装能力：英特尔 EMIB

2. 一旦研发工厂的良率与合作伙伴的良率持平，就将 2.5D 技术引入公司内部。

3. 只有当共位键合模块在体积上保持良率时，才引入混合键合和纳米孪晶铜。

目前，厂址和一期工程资金均已获批，研发晶圆厂正在建设中，但首片晶圆的交付日期和所有权条款尚未公开，特斯拉和英特尔也未签署任何合同。统一的厂址可以缩短学习周期；而最终能否盈利则取决于封装方案。

Shaurya Seth 是 Analog Devices 的高级工艺集成工程师，负责开发用于电力电子应用的成熟节点器件的后端工艺 (BEOL)。他拥有加州大学洛杉矶分校材料科学与工程硕士学位，其在 CHIPS 实验室的硕士论文研究了用于细间距先进封装互连的锡电镀技术。他曾发表多篇同行评审的研究论文，并为 IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing、Journal of Applied Physics 和 Materials Today Electronics 等期刊撰写审稿。