面板级封装的下一步

Fraunhofer可靠性与微集成研究所(IZM)的小组经理Tanja Braun与《半导体工程》杂志一起讨论了III-V型器件封装、芯片、扇出和面板级处理。夫琅和费IZM最近宣布了其面板级封装联盟的新阶段。以下是那次讨论的节选。

SE: IC封装并不新鲜，但几年前它主要是在后台。给定的IC包只是简单地封装和保护芯片。然而，最近包装在所有行业中都变得越来越重要。现在有什么不同?

布劳恩:打包变得越来越重要，因为它支持应用程序。它推动了不同的技术。我们现在看到的是带有主动插入体的小芯片。在扇形扩散中，我们有新的方法。我们看到了基于底物的方法。但我们也看到很多在基板上的倒装芯片。这和我们过去看到的完全不同。我们谈论异构集成已经有20年了，但目前我们在这个方向上做的更多。它不仅仅是一个集成电路和传感器。有很多新的主题和包配置。 We have double-sided molded antenna integration. We see the integration of shielding layers, passive structures and components, or the combination of different semiconductor compounds in one package. It’s getting much more complex and interesting.

SE:今天和未来包装的驱动力是什么?

布劳恩:我们正在研究5G和6G应用，这无疑是推动这一趋势的因素。在这里拥有具有成本效益的解决方案也很重要。汽车行业现在也变得更加开放了。越来越多的传感器进入汽车领域。我们还在扇出晶圆级封装技术中看到77GHz雷达。此外，你有所有这些集成传感器的人工智能应用程序，包括无处不在的边缘计算和云计算。这也引发了很多这样的话题。

SE:目前包装面临的挑战之一是短缺，对吗?

布劳恩:今天，材料非常具有挑战性。要获得基板，特别是在欧洲，这是非常困难的，你需要为这些应用提供高端基板。

SE: 2016年，夫琅和费成立了面板级封装联盟。这项工作旨在开发面板级封装技术。那是怎么回事?

布劳恩:那时我们看到了很多人的兴趣。我们为这项技术开发了完整的基础设施。四五年前有很多新设备被开发出来，现在还在进行中。小组级联盟为来自设备和材料行业的公司，以及osat和最终用户提供了开发工艺和了解价值链上不同工艺步骤的机会。我们把一切都放在公司内部。因此，您可以来我们这里，在整个工艺链的材料和设备方面与我们合作。

SE:一般来说，扇出和其他封装类型是使用圆200mm或300mm晶圆进行加工的。面板级封装背后的动机是什么?您可以在一个面板上处理更多的包，对吗?

布劳恩:当从圆形面板转移到更大的面板时，可以降低成本。我们做了成本模型。它对环境也有积极的影响。通过使用更大的格式和矩形格式，可以节省基本材料和能源。这对环境的可持续性有影响。

图1:扇出封装(a)晶圆形式和(b)面板形式。来源:日月光半导体

SE:在最初的联盟中，你使用的面板尺寸是多少?

布劳恩:对我们来说，尺寸是610毫米乘457毫米。这是24乘18英寸。

SE:当时，有一个关于面板级封装的问题。几家公司过去和现在都在研究使用不同尺寸面板的面板级扇出。换句话说，这里没有标准，对吧?

布劳恩:这是一个尚未解决的规模问题。我们见过600mm * 600mm。最受欢迎的格式之一也是510mm * 515mm。然而，SEMI仍在这一领域进行标准化工作。

SE:这里的再分配层(RDLs)的线和空间尺寸是多少?[RDLs是铜金属连接线，将包装的一部分电连接到另一部分。它们是通过线条和空间来测量的，这是指金属痕迹的宽度和间距。

布劳恩:我们朝着10微米线和空间的方向。

SE:多年来，几家商业公司一直在研究面板级封装。英特尔一直在研究这个问题。日月光半导体和三星正在研究面板级扇出封装。我们现在在面板级封装方面处于什么位置?这里的挑战是什么?

布劳恩:Powertech和Nepes等其他公司也在面板级扇出技术上投入了大量资金。可能也会有一些新的玩家在研究这个问题。一方面，你需要在这里进行大量投资。你需要安装一个面板生产线，你必须用产品填满生产线。所以你需要有应用程序和非常大的容量。否则，你将失去成本优势。

SE:可以肯定地说，面板级扇出正在生产中。但这并不是许多玩家所说的大规模生产。投入量产所花的时间比你想象的要长吗?还是说我们已经开始批量生产，但各公司都保持沉默?

布劳恩:你不会看到最终的产品，所以你永远不会知道封装是在晶圆还是面板上制造的。当然，台积电正在进行大批量的扇出，这是在晶圆级的工艺上。三星正在开发一个面板。日月光正朝着这个方向迈进。Nepes收购了Deca在菲律宾的设施。这可能是一个小组讨论的过程。该技术已达到成熟状态。不过，目前还没有完全回答的问题是，极限在哪里，最佳点在哪里。面板必须遵循与晶圆相同的路径吗?我们能在高端看一下吗? Is it for high-density fan-out? Is there another application? That’s not fully answered.

SE:最近，Fraunhofer IZM启动了该财团的下一阶段。这就是所谓的面板级封装联盟2.0 (PLC 2.0)。除了Fraunhofer，该财团还包括味之素、Amkor、ASM太平洋、AT&S、阿托泰克、巴斯夫、康宁、杜邦、Evatec、富士胶片、英特尔、Meltex、Nagase、RENA、Schmoll Maschinen、昭和机电材料和Semsysco。这是怎么回事?

布劳恩:焦点仍然在那块610毫米乘457毫米的大面板上。那是24 x 18英寸。对于面板级封装联盟2.0，我们正在研究扇出，这是一种模压嵌入式风格。在同一条生产线上，同样的尺寸，我们还致力于印刷电路板的嵌入式应用。这就是我们将有源元件嵌入印刷电路板的地方。但对于PLC 2.0，我们目前正在做的是研究工艺和材料，以评估当前面板级的生产限制，特别是对细线rdl。有可能得到2微米的直线和空间吗?有哪些挑战？设备准备好了吗?材料准备好了吗? That’s still not fully answered if the panel can follow the same path as the wafer.

图2:PLC 2.0的第一个结果:完全填充嵌入式芯片的面板。来源:Fraunhofer IZM

SE:你们还想用PLC 2.0实现什么?

布劳恩:我们想更好地了解极限。目前面板级封装的物理限制是什么?我们正在深入调查翘曲和移模。模移是一个可能导致成品率问题或影响成品率的问题，所以你必须控制它。我们也在研究适应性模式。对于面板，您需要一些自适应结构。否则，您将无法克服大尺寸面板上的所有公差挑战。我们计划使用2微米的线和空间。这就是我们的目标。我们甚至研究到1微米的线和空间，并在一个大的面板尺度上找到极限。

SE:那么对于图案，你是在考虑直接书写还是传统的光刻步进?

布劳恩:我们决定使用直写。我们这里有新设备。该联盟中有一家公司——Schmoll——开发了一种新的激光直接成像或直接书写工具。他们称这种直写技术为MDI。这是在大尺寸面板上进入2微米线和空间的卓有成效的合作。

SE:自适应模式能解决模移问题吗?

布劳恩:当然，你需要测量，你需要快速的测量。这是第一件事，你需要一些工具。你需要软件，你必须处理大量的数据。这取决于自适应模式的复杂程度。数据转换，并把它带到机器的每个面板需要大量的工作和时间。这涉及到模式和布局的转换和计算。

SE:在工艺流程中，翘曲成为面板上的一个问题。与晶圆片相比，面板上的翘曲问题是否不同?

布劳恩:是也不是。这里有一个声明，你可以在这里-翘曲是独立于不同的工艺方法。如果你先做RDL，最后做RDL，或者无论如何，对所有的RDL来说，扭曲都是一个问题。问题是影响翘曲的因素有很多。这使得预测和模拟变得非常复杂。你必须用所有的材料和温度来模拟整个过程。你必须完美地描述材料。这是一个巨大的挑战。随着时间的推移，材料会随着温度和湿度的变化而变化，这是一个很大的挑战。首先，我们必须更好地理解材料的行为。 We also have new tools. In the mold tool, for example, you have the chemical shrinkage of the material. You need to see how the material cures. This is more or less the first step of the history of material process. Then, if you have a large panel, there might be temperature differences and material inhomogeneities. Until now, I have not have seen a good thermal mechanical process simulation that can really forecast that. Of course, you can simulate one application. But if you try to transfer to the next one, that might fail.

SE:圆晶圆片和面板都是这样吗?

布劳恩:两者都有。同样，翘曲效应与形状和大小无关。当然，对于较大的面板，它们更重。当然，还有重力效应。这可能会有一点帮助，因为它在桌子上比晶圆更平。不过，你可能得考虑重力效应。所以在研发中，我们试图更好地理解这些材料。但我们也在PLC 2.0中开发临时面板处理概念。

SE:这里的问题是环氧模具复合材料(EMC)吗?还是说翘曲一直都是问题?

布劳恩:这一直是一个问题。在每个工艺步骤中，翘曲都可能发生变化。然后，在下一个流程步骤中，它再次改变。在这个过程的开始，你有模具化合物和硅的结合。一方面，你开始一层一层地堆叠具有不同热机械性能的材料。添加热膨胀系数(CTE)非常高的聚酰亚胺，即使是很薄的一层。然后加入铜，CTE也很高。所有这些都受到过程温度的影响。如果你把聚酰亚胺固化得更高一点，那么可能模具也会收缩得更大一点。所以这些都在影响它。

SE: PLC 2.0的最终目标是什么?

布劳恩:我们希望进一步推动这项技术的发展。我们希望看到这项技术的局限性。我们希望更好地理解这些过程。我们看到了许多新的材料和设备。我们看到在设备和材料方面有了很大的进步。这就是我们需要的，特别是当你用更细的线和空间来做多重积分和类似的事情。

SE:我们会在面板级包装中看到一个标准的面板尺寸吗?或者我们会为这项技术提供多种尺寸的面板吗?

布劳恩:在制造业中已经有许多不同的尺寸。这是有历史原因的。例如，有些人有PCB技术背景。其他可能有不同格式的LCD背景。

SE:缺乏标准会阻止面板级扇出包装的发展吗?这是否给设备制造商带来了困难?

布劳恩:这无疑使设备供应商更加困难，因为没有明显的标准尺寸。但由于制造业已经引入了不同的格式，我不认为这是一个表演的阻碍。标准化可能有助于进一步降低面板级包装的成本。

SE: Fraunhofer IZM最近也发表了一篇关于氮化镓(GaN)扇出封装的论文。这是怎么回事?

布劳恩:关于氮化镓的封装，这是用于射频应用。这和硅是不一样的。这在这里是一个挑战。目前，使用GaN的更高频率的封装通常是非常昂贵的陶瓷封装或预模封装。有时，它会被纳入QFN套餐。当然，这项技术的频率更高，但功率也更高。所以热耗散可能很高。这是挑战之一。然后，GaN器件本身就不同于硅器件。护垫通常是金色的。 It’s a gold metallization. The components are very thin. It’s typically between 70µm and 100µm. You have a gold backside metallization, as well. And you might have open vias on the newer components on the backside. You have air bridges on the top side. They allow two traces to cross. They are mechanically sensitive. And so the challenge is to bring that into a cheap plastic package. This is a very interesting application at the moment. We have seen a lot of companies in Europe that are doing GaN or GaAs for the higher frequencies in 5G and 6G applications. They are looking for packaging technologies at higher volumes.

SE:在扇出封装中使用RF GaN的优势是什么?

布劳恩:首先，这将是一个更便宜的包装，因为它是一个塑料包装。当然，扇出有最短的互连包装电线，你可以得到目前。你有镀过孔作为互连。没有连接线或倒装芯片凸起。下一步是异构集成。你也许可以把氮化镓和硅或砷化镓放在一个封装中，有短的互连，不再涉及衬底。也许你也可以有被动结构或者集成天线。你有一个组件，它可以很容易地处理SMT组装在板上。这就是“粉丝散开”活动可能带来的好处。

SE:我们已经在mmWave中看到了扇形扩散，对吧?

布劳恩:我们已经有了像雷达这样的应用。它以77GHz进入了汽车市场。但是我们已经做过94GHz雷达系统了。因此，扇出已经被引入汽车市场。

SE:小芯片是一个热门话题，特别是如果客户可以从菜单中选择它们，然后将它们集成到一个包中。你对小芯片有什么看法?

布劳恩:这将会发生。对我来说，这更多的是一个未来谁会这样做的问题。当然，如果我是铸造厂，我可以做到。也许，如果我是客户，我可以从一家铸造厂购买所有产品。如果我想做一个自己的芯片，情况可能会复杂得多。然后，我需要从不同的公司购买芯片并进行集成。所以也许你可以从英特尔、台积电和三星购买这种产品。但是，这项技术是否会为小型公司或最终用户所用?让我们拭目以待。需要进行大量的标准化工作。 It also involves heterogeneous integration. You could do this on an interposer or even on an organic substrate and bring that all together.

SE:对于芯片来说，有不同的晶片到晶片或晶片到晶片的互连方案，比如微凸点和混合键合。一些公司计划在互连方案中使用现有的铜微凸点。其他的可能使用混合键。这将如何发展?

布劳恩:如果你进一步发展混合债券，未来可能没有多少公司能够做到这一点。当然，对于小型化和集成来说，这是一个很好的解决方案。你可以在晶圆对晶圆和芯片对芯片的应用中看到这一点。问题是谁最终能够做到这一点。这是一个很好的例子，可以看出后端和前端是如何越来越接近的。最后，你需要一个具有高端洁净室、平面化等的前端设施来实现这一点，所以它可能更接近前端而不是后端。

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