晶背供電是什麼？晶片的電源線為什麼要搬到晶圓背面

晶背供電（也叫背面供電，英文 backside power delivery，常縮寫成 BSPDN）是一種新的晶片做法：把送電給電晶體的電源線，從晶圓的正面搬到背面，正面主要留給傳訊號的線。搬過去，電源的路可以變粗、變短，正面也空出位置；代價是晶圓要翻過來、從背面磨到極薄，難做很多。這是最先進的幾代才開始用的做法，各家不太一樣，這篇只講一般的原理，數字只寫大概的大小。

現在的晶片，電是怎麼送到電晶體的？

電晶體是用電控制的小開關，做在一片矽的正面（見「電晶體是什麼？」）。開關上面一層一層疊著金屬導線，最先進的有十幾層，像一棟大樓：一樓擠滿開關，樓上都是走廊（見「晶片裡的導線怎麼做？」）。

這些導線做兩種工作：

• 傳訊號：把一個開關的結果送到別的開關。結果是一條線上電壓的高低：高是 1，低是 0。
• 送電：每一組開關都要接到電源（電壓高的那一條）和地（電壓低的那一條），才能把輸出接到其中一邊（見「CMOS 是什麼？」）。

兩種線都擠在正面。電從最上面、接到封裝的那一面進來（見「覆晶是什麼？」），一層一層往下，走到最底下最細的那幾層，才接到電晶體。

電源線擠在正面，有什麼問題？

一、電壓一路往下掉

導線有電阻：線越細、越長，電阻越大。電流流過電阻，電壓就會掉一點，掉多少大約是「電流乘電阻」，叫壓降（英文 IR drop）。晶圓廠的廠務也說「壓降」，講的是外面送進廠的電突然掉一下，跟這裡晶片裡面、導線上的壓降是不同的事。

像大樓用水：水從頂樓的水塔往下送，水管越細、越長，最後那一戶的水就越小。電也一樣，走到開關時，電壓已經比電源低了一點。

電壓不夠，開關就切換得慢；掉太多，訊號來不及在下一拍之前送到，就可能算錯。所以設計時常把容許掉的電壓抓在電源電壓的一成左右以內；不夠，只好把電源電壓調高，耗電又變多。

二、訊號線被擠

為了讓電壓少掉一點，電源線要粗、要多，每一層都佔掉不少位置。最底下幾層本來就最擠，訊號線只好繞路，或多疊幾層。

開關越做越小、越密（見「摩爾定律是什麼？」），線越來越細，這兩個問題就越來越嚴重。所以工程師想：電源線乾脆搬到另一面，不跟訊號線搶？

晶背供電怎麼做？一步一步看

一般的說法，大致是五步。

第 1 步：正面照常做電晶體和訊號線

在正面做好電晶體、疊上導線，跟現在一樣，只是導線大多留給訊號；有些做法會在電晶體旁邊先留好讓背面接上來的地方。電晶體要先做，因為做電晶體有很高溫的步驟，金屬線經不起（見「一顆電晶體是怎麼做出來的？」）。

第 2 步：翻過來，貼在另一片載具晶圓上

把做好的晶圓翻過來，正面朝下，跟另一片晶圓貼在一起。這一片叫載具晶圓（carrier wafer），上面沒有電路，負責撐著。要它墊底，是因為下一步要把原本的晶圓磨到自己撐不住；少了它，磨薄的矽一拿就破，正面的導線也沒有東西護著。貼合用的是跟把晶片疊起來相近的技術（見「新聞說的「先進封裝」是什麼？」）。

第 3 步：把原本的晶圓，從背面磨到極薄

原本的晶圓不到一公釐厚。現在要從背面去掉幾乎全部的矽：先用砂輪粗磨，再用 CMP 和蝕刻一點一點去掉（見「CMP 是什麼？」），磨到只剩一微米上下，很多做法還更薄（一微米是千分之一公釐）。常會在電晶體底下事先埋一層比較難去掉的材料，碰到它就停。

要磨這麼薄，是因為下一步要挖的洞只有幾十到幾百奈米寬；又細又深的洞挖不了太深，矽不夠薄，洞就到不了電晶體。封裝前也會從背面磨薄，多半磨到跟一張紙差不多（見「封裝是什麼？」）；這裡還要再薄幾十倍以上。整片三十公分的晶圓還要磨得一樣薄：磨過頭，傷到電晶體；不夠，洞就接不到。

第 4 步：從背面挖洞，接到電晶體

在磨薄的背面，用黃光印上圖案，蝕刻出很細的洞，填進金屬，穿過剩下那層薄薄的矽，接到正面。這種穿過矽的洞，跟先進封裝疊晶片用的矽穿孔是同一個想法，只是細得多。

各家做法的差別，多半在洞接到哪裡：有的接到正面最底下那一層的電源線，有的接到埋在電晶體旁邊的一條電源線，也有直接接到電晶體一端的。越直接，路越短，也越難做。

洞要對準正面的小點。可是第 2 步貼合時，晶圓會被拉得有一點點變形，背面的圖案就更難對準（這叫疊對，見「疊對是什麼？」）。偏一點，就接不到，或接到不該接的地方。

第 5 步：在背面鋪又粗又短的電源線

在背面疊幾層專門送電的金屬線，最外面做接點，接到封裝。背面沒有訊號線來搶位置，線可以做得又寬又厚，電阻就小；要是也跟正面一樣細，搬過來就沒有意義了。電從封裝進來，往上沒幾層就到電晶體，正面那十幾層細線不用再背著電源。

搬到背面，好在哪？

• 電壓掉得少：電源的路變粗、變短，開關拿到的電壓比較穩。
• 正面空出來給訊號：少了電源線，訊號線不用繞那麼多路。
• 排得更密：以前每一排開關，都要讓出一條位置給電源線；搬走之後，研究上估計，同樣一排開關佔的面積大約可以省一到兩成。

那難在哪？

• 要磨得極薄、對得極準：整片晶圓磨到只剩一微米上下甚至更薄、厚薄均勻；背面的洞還要對準正面的點，貼合造成的一點點變形都要補回來。
• 熱比較難散：以前電晶體緊貼著一大塊矽，熱從矽散出去；現在電晶體一面是電源線，另一面是十幾層導線，熱要穿過導線之間不太導熱的絕緣層才出得去。
• 壞了比較難查：找晶片哪裡壞，常從背面隔著矽用紅外線看電晶體（見「失效分析（FA）是什麼？」）；背面鋪滿金屬，就看不進去了，要改用別的方法。
• 步驟多、比較貴：多了貼合、磨薄和背面那幾層，每一步都可能出錯，影響良率。

所以晶背供電只在最新的幾代才開始用；新做法從研究到量產，常要走很多年（見「新技術從論文到量產要多久？」）。現在大部分的晶片，電源線還是留在正面：舊幾代做法的導線沒那麼細，這樣就夠用（見「新聞說的「成熟製程」是什麼？」）。

在 fab24hr 裡

遊戲裡沒有演這一段：沒有晶圓翻過來貼在載具晶圓上，也沒有背面的電源線。主線「晶片的一生」的「螢火」是一顆助聽器晶片，用的是成熟的一代製程，不是最新的那幾代。

最接近的是研發線。按「進廠」、選「打工人的一天」，在「今天你是」卡片上點「研發線」，左右滑到研發製程工程師，名字下面再點「CMP」，就是 CMP 研發製程工程師（標著 Beta）：新的接觸窗填完金屬要磨平，整條研發線只有 CMP-R1 一台。接觸窗是導線往下接到電晶體的最後一段。早班，新接觸窗的排法跟上一個產品不一樣，配方卻是上一個產品用空白片算的：先磨 1 片，還是 3 片一起？封測廠切割機的說明也寫著，晶圓要先從背面磨薄；不過那是封裝前的磨薄，磨完比晶背供電的厚得多。

遊戲裡的公司、人物、機台和數字都是虛構的；晶背供電照公開的一般資料寫，不代表任何一家的做法。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。