嵌入式模具包装出现

在芯片和系统要求更小尺寸的推动下，嵌入式芯片封装正在看到新的需求。

据Yole Développement报道，日月光、AT&S、GE、Shinko、Taiyo Yuden、TDK、Würth Elektronik等公司在商家嵌入式模具封装市场上竞争。事实上，日月光和TDK在这个领域有一家合资企业，并开始加大生产。此外，德州仪器和其他IC制造商开发自己的嵌入式芯片包。

嵌入式模具包装不同于大多数包装类型。通常，在许多IC封装中，器件位于基板的顶部。在系统中，基板是连接设备和单板的桥梁。

术语“嵌入式封装”有不同的含义。但在嵌入式模具封装的世界中，其思想是使用多步制造工艺将组件嵌入衬底内。一个模具，多个模具，MEMS或被动式可以并排嵌入在有机层压基板的核心中。这些组件使用镀铜通孔连接。总之，嵌入式包驻留在电路板上，从而释放了系统中的空间。

图1:TDK的嵌入式模具封装工艺，称为SESUB来源:TDK, Prismark

嵌入式模具封装并不新鲜，由于各种挑战，已经降级到小众应用，但该技术是有前途的。例如，TDK使用其专有的嵌入式模具技术，最近推出了世界上最小的蓝牙模块。此外，嵌入式模具封装为各种应用提供了许多选择，如微型封装、模块和板内系统(sib)。

图2:在TDK的工艺中，器件被嵌入衬底内的四个薄层中。该结构具有微互连和通孔，总高度为300微米。

“显然，在基板中嵌入主动芯片的驱动因素是尺寸。你会在“x”和“y”轴上得到显著的整体收缩。当你考虑更大的电路板布局时，这种小型化使你在设计上具有一定的灵活性。高级半导体工程(ASE)。“当你观察当今的嵌入式有源器件市场时，它主要集中在功率模拟器件领域。蓝牙WiFi模块是一个关键领域，因为它的小型化方面。其他应用包括电池市场中的射频模块。”

嵌入式模具包装也有一些缺点。有一些制造挑战，因为它结合了先进包装和pcb使用的技术。此外，生态系统还相对不成熟。Yole分析师Vivienne Hsu表示:“嵌入式模具的成本仍然太高，收益率有时太低。”

不过，这项技术在几个方面都取得了进展，为客户在包装领域提供了另一种选择。Hsu表示，事实上，该技术与风扇输出、引线框架封装和电源模块存在重叠，有时甚至存在竞争。

据Yole称，嵌入式模具包装市场仍然是一个小行业，预计将从2017年的1500万美元增长到2018年的1800万美元。据Yole称，到2023年，该市场预计将达到5000万美元。

包装选项
嵌入式模具是众多集成电路封装类型中的一种。基本上，IC封装有三大类:引线框架、晶圆级封装(WLP)和衬底。

用于模拟和其他市场，引线框组由几种封装类型组成，如四平无铅(QFN)和四平封装(QFP)。引线架是一种金属框架。模具被连接到框架上，并使用细线连接。

图3:QFN包。资料来源:维基百科

WLP是第二类，涉及两种主要的封装类型——扇入和扇出。WLP涉及到在晶圆上进行封装。一般来说，WLP是一种无衬底封装。WLP没有使用衬底，而是利用了一层路由层或再分配层(RDLs)薄膜，在封装中提供电气连接。

RDL层未连接到单板。相反，WLP利用封装底部的焊锡球，将RDLs连接到电路板上。

图4:扇入、倒装芯片和扇出的比较。来源:Yole Développement

与此同时，基于衬底的包装分为几类，如陶瓷和有机层压板。陶瓷基板以氧化铝、氮化铝等材料为主。基于陶瓷的封装用于表面贴装设备，CMOS图像传感器和多芯片模块。

有机层压板基材用于2.5 d/3 d、倒装芯片和system-in-packages(口)。对于这些封装，器件位于基板的顶部。用于有机底材的材料是FR-4等。FR-4由玻璃纤维织物和环氧树脂组成。

这些基板使用类似或相同的材料作为印刷电路板(PCB)。所以在某些领域，有机基板有时被称为PCB。

有机衬底也是多层技术，其中至少两个有机层被金属层隔开。金属层在封装中起到电迁移屏蔽的作用。

通常，IC包位于电路板上，这有时会占用系统中宝贵的电路板空间。那么，为什么不将模具嵌入衬底中以节省空间和成本呢?

这就是嵌入式模具包装的由来。不要把这和扇出相混淆。在扇出，模具嵌入在基于模压环氧化合物的重构圆形晶圆中。

嵌入式模具包装是不同的。这些组件嵌入在有多层的基板中。“集成电路嵌入衬底的核心。这个芯是用特殊树脂制成的。除了核心树脂，其他基板层都是标准PCB材料，”美国TDK高级战略营销经理Nigel Lim解释道。

“这些模具通常并排放置。TDK有2到3个并排放置模具的经验。对于标准的4层基板，所有的模具都放置在第2层和第3层之间。骰子不是堆叠的，”Lim说。

这提供了几个好处。AT&S高级包装业务部门首席执行官Dietmar Drofenik和AT&S研发总监Hannes Vorarberger表示:“总体而言，ECP技术的主要好处是小型化程度提高，互连可靠，性能更高，并改善了集成组件的保护。”AT&S是pcb和衬底的供应商，将其嵌入式技术称为嵌入式组件封装(ECP)。

Drofenik和Vorarberger表示:“ECP还支持模块化的趋势，与其他包装技术相比，它的安装成本更低。”“(在嵌入式模具中)隐藏的电子元件防止了逆向工程和伪造。”

嵌入式模具是将多个模具合并到一个包中的几种方法之一，但它不是唯一的选择。“打包系统是个大问题。由于成本的原因，扇出在这个领域也有很大的潜力。这些包装解决方案以更低的价格为市场带来更好的技术解决方案，”TEL NEXX战略业务发展总监Cristina Chu说电话．[ASM Pacific已宣布从TEL手中收购TEL NEXX的计划。]

另一种选择是2.5D/3D。所有这些包装类型为客户提供了不同的选择。IC供应商可以继续使用传统的芯片扩展开发片上系统(SoC)产品，但只有少数能够负担得起高级节点的设计成本。

另一种获得扩展好处的方法是将多个设备放在一个高级包中，这可能以较低的成本提供SoC的功能。这被称为异构集成。

为什么要嵌入模具?
多年来，该行业一直在以这样或那样的形式在封装中嵌入芯片和被动器件，而嵌入式模具封装可以追溯到20世纪90年代，当时通用电气和其他公司引入了这项技术。TechSearch International总裁Jan Vardaman表示:“TI的MicroSIP不是第一个，但却是第一批批量产品之一。”

事实上，这项技术从2010年德州仪器(Texas Instruments)推出MicroSiP电源模块开始蓬勃发展。该模块厚度为1mm，在衬底中嵌入IC。在一种配置中，TI将PicoStar电源管理设备嵌入到衬底中。被动式元件安装在封装的顶部。

TI继续销售MicroSiP。“我们正在衬底/PCB中嵌入一个专门设计和建造的PicoStar封装(而不是IC)。它是电路IP、PicoStar、嵌入和无源集成的组合，实现了价值主张。这使得这项技术能够突破限制先前解决方案的障碍，”TI研究员Sreenivasan Koduri说。

图5:TI MicroSiP的截面图

其他人也扩大了他们在竞技场的努力。2013年，通用电气收购了市场先驱Imbera。2015年，日月光与TDK成立了合资企业。

据Yole称，到2015年，嵌入式模具包装业务达到2400万美元。但在2016年和2017年，由于移动设备技术相机模块的关键市场放缓，该业务出现下滑。

此外，嵌入式模具的产品设计周期比预期的要长。“成品率是嵌入式模具的主要挑战之一，”TechSearch的Vardaman说。

然而，今天，嵌入式模具包装正在看到新的增长。“它正在逐渐增长，”Yole的Hsu说。“这项技术对于数据中心等行业的更好的热管理尤其有趣。汽车行业对这项技术很感兴趣。它主要用于需要高功率(更好的热管理)或极度小型化(更少的厚度)的应用。”

该技术仍然面临同样的问题，即成本、产量等。“在嵌入模具之后，就很难测试最终产品了，”徐说。“嵌入式模具供应链还不成熟。”

还有其他问题。“在PCB领域，嵌入式无源薄膜组件(电阻、电容器、电感)正在非常小的尺寸应用中获得吸引力。额外的制造成本在一定程度上被降低的装配成本所抵消。Mentor是西门子旗下的企业．“嵌入式主动元件更新，适用于相同的小尺寸情况。由于缺乏返工过程，它们本身就更昂贵，通常需要某种形式的重新分发层。”

不过，最近该行业已采取措施支持这项技术。几年前，TDK推出了一种称为半导体嵌入衬底(SESUB)的嵌入式模具技术。TDK已经生产了几个使用SESUB的包，包括世界上最小的蓝牙模块。

然而，SESUB是一种专有解决方案。一般来说，客户想要第二个来源，以确保充足的供应和更好的价格。

这些都是TDK与日月光合资的动机之一。在成立合资公司之前，日月光在两条战线上参与市场。首先，日月光有自己的产品。其次，对于需要SESUB的客户，日月光会将设计或组件发送给TDK。TDK将为日月光建立软件包。

现在，通过合资企业，日月光可以提供整个SESUB解决方案。日月光半导体已在台湾的一家工厂安装了这种设备，并正在提高技术水平。

在基本的SESUB流程中，晶圆在晶圆厂进行加工。晶圆被减薄至50μm，芯片被切成小块。然后模具被放置在一个单独的面板上，在那里他们经历一个面板级的过程。在面板上，这个想法是处理更多的模具比晶圆上，以降低成本。

面板级加工也正在为其他市场开发。该行业正在开发面板级格式的扇出包。这与面板级嵌入式模具包装不同。

同时，在嵌入模流中，模面朝上放置在衬底的核心中。模具被并排放置在其中一层中。“然后，你将在模具上覆膜一种材料。然后，你回来，用激光穿过材料，露出衬垫。然后，你做一个模式化的过程，并从那里板，”ASE的Gerber说。

最终得到了厚度从260μm到300μm的嵌入式模具包。“在嵌入式模具中，可以集成的模具数量没有限制。大多数人都试图将死亡人数控制在4人或更少。嵌入的模具越多，产量损失的风险就越高，”戈伯说。

这项技术有一些电和热的好处。“这与制作tsv等3D堆叠解决方案并无不同。你把两个骰子靠得更近了。相互之间的联系更短。”“当你在嵌入式技术上进行互连过程时，你是在衬垫上构建路由层。所以当我创建一个通过或连接点到一个垫，我创建了一个无焊互连。copper-to-copper。从可靠性的角度来看，如果你的材料匹配得当，就不会有太多问题。”

在SESUB中，最常见的配置是4层基板中的嵌入式封装，但有些正在开发2层、5层和6层的选项。

该技术是I/O计数高达400的理想选择。线间距规格为10μm及以上。衬垫间距为120μm，衬垫尺寸为80μm。他说:“如果你看看2018年和2019年，这将降至50μm衬垫间距和30μm衬垫尺寸。”

同时，日月光提供自己的嵌入式模具技术，称为“先进嵌入式主动系统集成(aEASI)”。在多年的生产中，aEASI适用于大功率应用。这是一个混合封装，结合了引线框架和衬底技术。

其他选项
2008年，欧洲成立了一个财团，将嵌入式模具包商业化。奥地利的AT&S公司将这项名为ECP的技术商业化。

AT&S的Drofenik和Vorarberger表示:“ECP利用有机层压板衬底中的空间嵌入有源(芯片)和/或无源组件。”电容器和电阻器可作为带铜端子的薄组件，而压敏电阻和热敏电阻正在开发中。

MEMS也可以集成到一个封装中。与SESUB一样，ECP使用面板级格式进行处理。“嵌入式过程可以分为三个主要步骤:组件组装(核心结构，腔切割，胶带分层);覆膜(树脂填充，胶带去除);结构(激光打孔，电子测试)，”Drofenik和Vorarberger说。

图6:ECP工艺流程来源:AT&S

该技术可用于汽车、通信、医疗、移动和其他应用程序。他们说:“目前该技术已经应用的典型应用是便携式电子产品，如可穿戴设备、MEMS、无线连接模块、助听器等医疗产品、识别系统或用于细音高集成电路的扇出。”

图7:ECP工艺流程来源:AT&S

下一个什么?这项技术正朝着AT&S所谓的“一体化”模块发展。这是当今科技的进化。它涉及使用先进的pcb类基片和包装开发更集成和更小的模块。

为此，客户将有一系列新的组件和技术选择的包装。这包括绝缘金属衬底，多层衬底，HDI，柔性pcb和中间物。Drofenik和Vorarberger表示:“新的高端系统，如先进的sip和sib(板内系统)，可以在很大程度上以模块化的形式与所有基本技术相结合。”

嵌入式模具封装是很有前途的。如果它能克服一些挑战，它可能会起飞。否则，它可能仍然是一项小众技术。更糟糕的是，它可能会在混乱的包装格局中迷失。

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