PCB和IC技术在中间相遇

表面贴装技术(SMT)的发展远远超出了它的根源，它是一种将封装的芯片组装到没有通孔的印刷电路板上的方式。现在，它正在移动到封装内部，这些封装本身将被安装在pcb上。

但是用于高级包的SMT与我们所习惯的SMT不一样。

“许多系统包含多个亚瑟士的产品营销总监肯尼思·拉森说:“这是一个非常小的内存空间Synopsys对此．“这几乎就像你把整个PCB压缩到一个非常小的形状。”

高级包使用插入器或用于安装模具的其他基板。这些中间体就像微型pcb，尽管材料不同。但是金属化的尺寸重新分配层(RDLs)通常比PCB上使用的更激进，尽管按半导体标准来说它们很大。因此，必须从PCB和半导体两方面考虑，以确保良好的可制造性。

"有些公司更以PCB为中心，从PCB封装的角度切入，但也有一些公司更以芯片为中心，他们从芯片的角度切入，"英特尔半导体产品营销总监Marc Swinnen表示有限元分析软件．“然而，这两个世界正靠得更近，许多公司并没有为此做好准备。”

这让芯片制造商陷入了某种两难境地。“你会使用来自半导体工厂的现代工具吗?微软设备界面总经理Steve Ledford问道Teradyne．“或者你会使用PCB和SMT制造人员的现代工具吗?”

虽然先进的包装并不新鲜，但它仍然处于生产生命的早期，应用往往是有限的。随着成本的下降，越来越多的应用程序使用这种封装提供的更紧密的集成，更多的公司将能够利用它。因此，退回到高层次，了解原始SMT和新版本之间的一些观点是有帮助的。

该公司总裁兼首席执行官Subodh Kulkarni表示:“在堆叠现象和SMT之间，先进的包装处于传统前端和传统后端之间CyberOptics．“这就是现在所有创新发生的地方。打开任何现代设备，串在一起的高级封装看起来与10年前的电路板非常不同。”

封装插入器的工作与PCB相同，促进安装在其上的组件之间的连接。此外，它们还提供最终将连接到凸起和PCB的接线。PCB制造所需的许多概念都在中间体上发挥作用，但都是微型的。由计算、内存甚至模拟I/O组成的整个系统都可以组装起来，然后封装成一个包安装在PCB上。

虽然这听起来像是一个简单的PCB缩小安装到元PCB上，但并不是那么容易。任何这样的组装过程都需要检查和测试以保证质量，但用于检查和测试pcb的工具不一定能扩展到包装级别。都是SMT，但根据使用的不同材料和中间体特征的尺寸需要不同的设备。

基材材料
大批量商用PCB通常由FR-4制成，这是一种玻璃纤维/环氧树脂组合，几十年来一直是PCB的最爱。虽然可以缩小小型夹层卡和其他较小的板，但最小线间距是以密尔而不是微米来测量的。最小螺距通常在5或6密尔范围内(在特殊应用中稍微低一些)，也就是说超过100微米。

图1:FR-4制成的典型PCB。来源:Raimond Spekking /Cc by-sa 4.0(通过维基共享资源)

转换为微米是有用的，因为先进的封装基板可以支持微米测量的尺寸。所以马上就会有一个数量级的收缩。它们在微米范围内的确切位置也取决于衬底材料。

在描述封装内的“迷你pcb”外观时，似乎使用了两个词。有时它们被简单地称为底物，而其他时候它们被称为中间物。似乎没有一个正式的定义来区分底物和中间物，但在这种情况下，通常的用法似乎是将底物应用于有机材料，而将中间物应用于无机材料。(从技术上讲，中间体是基板。)

pcb可能有许多层用于复杂的布线和屏蔽，但衬底和中间层往往只有很少的层-可能只有一层，通常称为再分配层(RDL)。有机衬底通常被发现在所谓的面板应用。这与半导体类似，在切割成单个单元之前，将多个单元组装在一块大块上。最大的区别在于，由于它们的制造方式，面板可以是矩形的，这意味着在切割它们时不会浪费任何东西。这项技术主要来源于显示工业。

Ledford说:“为什么方形模具适用于圆形晶圆，并不是因为晶圆是适合方形的理想材料。”“这是因为硅锭就是这样被拉动的。”所以矩形的中间物最终会从圆形晶圆中分离出来，这意味着边缘会有废料。

图2:晶圆迫使矩形贴合到圆上，造成了一些浪费。面板以矩形开始，允许以尺寸为代价更好地利用空间。来源:日月光半导体

在开发的早期阶段，玻璃是另一个很有前途的候选者。“玻璃可以是圆形的，也可以是方形的，”莱德福德说。玻璃基板也常被称为中间物。

因此，SMT基材有三种基本变体:pcb、面板和中间体。它们有显著的成本和尺寸差异。

尺寸及制造
莱德福德说:“一切都收敛到半导体的尺寸。”“这只是时间问题。当我从学校出来的时候，主流的半导体是1微米的线和空间。如果你看看现在先进的包装，它已经非常接近1微米的线和空间。只是花了30年时间才达到这一点。”

这些材料所需的尺寸有两个关键方面。首先是最小音高。但同样重要的是控制这些维度。

Ledford说:“测试和测量都是50-Ω控制阻抗。”“这意味着生产线制造商需要将尺寸控制在四分之一微米。嗯，如果我去我的任何PCB商店，他们没有任何地方接近这种水平的尺寸控制。”

主要原因是化学:多氯联苯是用湿化学制成的，这限制了尺寸和公差。Ledford说:“主导PCB和(传统的)SMT的湿化学工艺没有所需的尺寸控制。”“什么样的工艺可以给你四分之一微米的线和空间控制?干法工艺——溅射、干蚀刻等，主要来自半导体领域。”

虽然多个pcb可以在某种浴液中同时处理，但面板和晶圆必须在其反应室中单独处理。这是与小尺寸相关的主要成本之一。

三星电子产品营销经理Woo Young Han表示:“半导体制造商转向面板级封装的主要原因是系统级封装(SiP)中的大模具。上的创新．“包括CPU、GPU、DSP和内存在内的多个芯片被封装在一个基座上，其结果比半导体行业中经历的传统芯片尺寸要大得多。SiP模具尺寸可大至100毫米，因此在制造大型SiP模具时，600mm的矩形面板比300mm的圆形晶圆更好。”

硅中间体受到晶圆尺寸的限制，这使得它们在集成内存有限的处理器时更有用。小芯片也适合集成到这些更小的包中。

使用面板可以提供更大的模具，但这是以将线或芯片放在一起的距离为代价的。“面板级封装可能有更大的gpu或cpu，但不一定像芯片那样接近，”华为白光干涉仪生产线经理Robert Cid表示力量．

也就是说，虽然人们可能期望面板是晶圆级集成的中间地带，但实际上可能是另一个方向。Cid指出:“我认为，对于那些想要进行更多集成的公司来说，面板级封装越来越成为一种可行的解决方案。”“如果晶圆级封装开始转移到更大的基板上，可能会进一步降低封装成本。”

pcb和任何这些其他选项之间的主要功能区别是可以管理的互连数量。Ledford说:“你说的不只是几个40微米的I/O衬垫。“你说的是成千上万个40微米的I/O板。”

其他人也同意。Synopsys公司数字设计组硅生命周期管理营销总监兰迪·菲什(Randy Fish)指出:“你可能会有数千个这样的微凸起和非常密集的痕迹。”“能够实现冗余互连是其中必要的一部分。”

检查线路
PCB和先进包装之间的主要工艺差异之一在于检查-特别是在发现缺陷时进行返工的能力。

Han解释说:“在典型的PCB检测流程中，检测模块对PCB进行检测，然后将PCB转移到检查站进行操作员检查，然后将其发送到维修站以修复发现的缺陷。”“在半导体晶圆检测领域，在前端和后端半导体流程中修复单个缺陷是不可想象的。”

人类仍然是PCB检测领域的重要人物。“由于PCB行业的历史性质，他们仍然看到许多操作员通过显微镜进行人工检查，”Ledford说。

CyberOptics的Kulkarni描述了他在看到一条DIMM生产线末端时的惊讶。他说:“当时有20个人站在那个区域附近，旁边有白色的灯。”“他们从传送带上捡起每一块记忆板，在把它们放进塑料袋之前，都要用肉眼检查两边。”

内存进行了最后的I/O测试，但它们是热插入的。半分钟后，当取出时，它们已经明显冷却了，而且不那么容易取出——有时会干扰板上的记忆。Kulkarni解释说:“尽管I/O检查看起来很好，但当客户收到它时，情况并不好。”

现在，添加自动化的最终检查步骤可以对任何需要返工的板进行干预，而无需人工检查。

用于容纳大型cpu或其他昂贵芯片的套接字是另一个例子。插座的使用，如果有一个板的问题，高价值的芯片可以很容易地取出，并移动到一个新的板，而不是丢弃与板。

库尔卡尼说:“在一个3乘3英寸的正方形上，你有10,000个针。“这些实际上是毛茸茸的小铜东西，它们出来并弯曲，因为必须有某种弹簧。”

这使得人类很难检查它们。可视化工具可以再次自动化该过程，提高结果和吞吐量。因此，PCB检测已经朝着更高水平的自动化方向发展。

但在一个先进的封装中，信号的尺寸和数量使得用手检查完全不切实际。自动化是必需的。然而，这些工具的工作方式在pcb和面板级和晶圆级组件之间有所不同。

Han说:“大模具尺寸在PCB世界中很常见，传统的PCB检测工具使用基于CAD设计规则的方法。”“在半导体领域，检测工具的设计目的是在高度重复的模具图案上发现更小的缺陷，因此半导体领域的检测工具使用金模或邻模比较方法。SiP与半导体晶圆相比，模具有更多的模具之间的变化，并且CAD设计规则方法比黄金/邻域模具比较方法更好。这是传统PCB检测工具的一个优势。与传统PCB模具设计相比，SiP模具的设计规则也要小得多——只有2微米的痕迹宽度——并且需要亚微米的缺陷检测。然而，PCB使用的迹宽大于10微米，传统的PCB检测工具不具备执行亚微米缺陷检测的光学分辨率。这是半导体晶圆检测工具的一个优势。”

面板尺寸略大于中间体尺寸，但仍有可能使用半导体设备-放宽数字。Cid说:“如果你有一个600 x 600毫米的尺寸，你想要确保整个面板的功能都在规格范围内。”“这可能是一个挑战。我们已经看到客户要求加快测量的方法，以便在生产前评估面板的质量。”

尽管如此，假设专家组和调停者有类似的检查将是错误的。“我们看到晶圆级和面板级封装的要求是非常不同的，”Cid说。“我们有专门为面板级封装设计的工具，与我们为晶圆级封装设计的工具有不同的要求。”

也就是说，这在一定程度上是专家组滞后于干预者的情况。Cid表示:“我们所听到的路线图讨论表明，面板级的处理要求将变得更加复杂，需要一些严格的计量，就像几年后的晶圆级封装一样。”

因此，虽然自动化和人工智能正在进入pcb检测领域，但这些技术对于先进的包装来说是必不可少的。

测试板，衬底和中间物
测试汇集了完全不同的哲学。传统上，pcb已经使用钉床测试仪进行测试，可以快速验证电路板上的所有连接。但是每块板子都需要一个定制的夹具，这给测试开发过程增加了阻力。

JTAG在一定程度上简化了这一点，它提供了一种将板子上的所有组件链接在一起并测试它们的连接性的方法。这是JTAG的最初目标，只是在后来才扩展了内部芯片测试功能。因此，原则上，可以使用单个JTAG端口同时测试连接和函数。

相比之下，集成电路使用内部自检以及外部交付的向量，这些向量可能使用专用测试引脚或其他引脚，在测试模式中用作测试访问引脚。与PCB测试的一个关键区别是，ic测试的是功能。对于pcb，主要是测试连接。PCB上的集成电路是基于作为制造流程一部分的单独测试来工作的。

高级包处于中间的某个位置，什么时候进行测试将对成本产生巨大影响。这是因为一个人正在使用已经测试过的模具，然后将它们放置在衬底或中间体上，而衬底或中间体本身必须经过测试以确保连接正常工作。

但是这些模具在放电过程中损坏了吗?衬底/中间体组装是否需要单独测试，包括连接性和功能性，以确保所有东西都在组装过程中幸存下来?在植入芯片前和植入芯片后，是否都要对插入物进行测试?如果要对整个程序进行测试，应该在封装之前还是之后进行测试——或者两者同时进行?

部分挑战是内部连接的数量永远无法连接到外部连接。Fish指出:“许多内部die并不能与现实世界对话。“所有的联系都是生死攸关的。”

这些问题没有确切的答案。它会因应用和伴随的经济而变化——更不用说失败的风险了。与那些故障后果仅限于使制造商烦恼或损失商誉的组件相比，安全关键型组件需要进行更多的测试。

Fish说:“如果可以选择，人们确实希望能够在复杂的封装中测试模具。”“但对于中低端价格的产品，我不认为你有能力对每个模具都进行一次测试。”

如果对模具本身进行测试，还有一个重要的实际影响。“如果你购买的是已知良好的模具，供应商是否会给你他们的测试序列，以便你自己运行?鱼问。

至于实际测试，尽管组件可能看起来像迷你pcb，但由于尺寸的原因，钉床方法是完全不切实际的。这种固定装置中使用的弹跳销太大了。此外，每个芯片的定制夹具增加了工艺的不合理负担和成本。

这里也可以使用JTAG，尽管它的信号速度有限。USB和PCIe也是用于专用测试访问端口的选项，可以加快单个模具和高级封装组件的测试。事实上，它也可以用于pcb。

Fish说:“我们正朝着用于测试的高速专用I/O方向发展。“你将我们的IP插入到芯片中，连接到控制器端的I/ o，然后连接到芯片上的测试基础设施。”

结论
总而言之，先进封装中的表面贴装器件必须使用主要来自半导体世界的技术进行制造、检查和测试。虽然许多想法可能起源于PCB，但将PCB方法缩小到足够小的规模通常是不现实的。

由于封装是半导体制造过程的一个自然组成部分，因此先进的封装承载了大部分半导体遗产也就不足为奇了。但是将组件连接到基板表面的基本原理可以追溯到PCB世界。只是当缩小到接近半导体的尺寸时，它看起来非常不同