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小口:小包装最好的东西

更好的材料和工艺可以实现更小、更高性能的封装系统。

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封装系统(SiP)正迅速成为越来越多应用和市场的首选封装选项,引发了围绕新材料、方法和工艺的狂热活动。

SiP是一种基本的封装平台,将多种功能集成到单个基板上,通过更短的互连实现更低的系统成本、设计灵活性和优越的电气性能。sip正在5G、物联网、移动、消费者、电信和汽车应用程序中出现。其中,最大的,也许也是最令人兴奋的部分是消费者和可穿戴设备——从智能耳塞到电容疼痛贴片——这些轻薄舒适的设备可以快速提供人们想要的健康和健身数据。

在许多方面,SiP和其他类型的先进的包装实现了曾经几乎只与摩尔定律相关的性能和成本效益。日月光半导体销售和营销高级副总裁Chang Yin表示:“通过我们的扇出组合、倒装芯片、BGA和嵌入式解决方案,日月光半导体与台积电一起努力工作,以扩展摩尔定律标准,我们希望能将性能提高一倍,也许不是成本减半,但有成本效益。日月光半导体.“这就是为什么我们推出VIP平台,提供解决方案工具箱,为架构师提供最高级别的灵活性,以创建差异化的系统。”

其他人同意先进的封装在提高系统性能方面起着关键作用。“在一天结束的时候,系统级的性能才是最重要的,”David Fried说Coventor这是Lam Research的一部分。“我们仍在努力克服功率、性能、功率、面积和成本(PPAC)方面的障碍。只要市场不断要求我们提供额外的计算能力和内存,我们就会推动不同的参数来不断增强系统级性能。”

包装类型的选择通常归结为平衡性能和成本。Yole Intelligence的技术和市场分析师Stefan Chitoraga表示:“倒装芯片主导着射频AiP毫米波市场,但有一种趋势是开发扇形AiP(封装天线)。“与倒装芯片相比,扇出芯片的优势包括更小的外形尺寸,利用高密度的RDL,以及更细的间距。尽管如此,分散使用的成本仍然太高,而且还需要克服一些技术挑战。”

这些挑战包括模移和翘曲,这些问题正在通过各种模具和工艺修改来解决。[1]

为了在单个SiP中实现高性能、高效和低成本,工程师们正在将新的成型材料、双面SiP、激光辅助键合(LAB)和下一代柔性基片纳入扇出、倒装芯片和嵌入式SiP中。

3D SiP
SiP是行业3D革命的一部分。随着以更细的音调容纳更多I/ o的趋势,还有许多其他的努力将更多的I/ o塞进一个包而不是一个芯片。这包括多个再分配层在扇出中,桥架和中间层将不同的模具连接在一起,双面封装以增加密度,嵌入式模具选项以实现在更小的轮廓中更快的模具到模具加工,消耗更少的功率。

如今的sip集成了各种组件,从gpu和RF ic到内存、传感器、被动器件等等。日月光研发副总裁CP Hung表示:“例如,日月光的SiP技术支持集成不同的微控制器、专用集成电路(asic)、天线和传感器,从而控制连续血糖监测仪(CGM)的所有功能。

Hung还描述了将四平面无引线(QFN)封装中的多个传感器重新设计为带过硅孔的晶圆级芯片级封装(WL-CSP),这可以提高80%的电气性能,同时减少30%的占地面积。Hung表示,SiP也有生物识别应用,包括使用微流体通道进行体外诊断,用于检测血液,基于SiP的助听器,以及用于传感器集线器的晶圆级SiP,其占地面积比传统包装小77%。

啜饮还会动摇供应链和成本结构。“你每天都能在手机上看到这种情况。它们变得越来越薄,越来越轻,同时执行更多的功能,但这要求包装与这些设计保持同步,这意味着保持信号完整性,管理热问题,减少干扰等。QP技术.“但是有挑战就有解决办法。对于倒装芯片,你试图摆脱底部的热量,当你做芯片连接,所以你使用一个散热器和热润滑脂在接口。我见过带有管道和冷却剂的3D衬底。”

除了评估SiP中的所有流程和配置选项外,Sadri还强调了对系统中知识产权保护的日益关注。

图1:SiP制造市场被领先的osat和代工厂所分割。来源:Yole Intelligence

图1:SiP制造市场被领先的osat和代工厂所分割。来源:Yole Intelligence

Yole分析师估计,到2025年,SiP市场将以5%的复合年增长率增长至190亿美元,而2020年的基数为138亿美元(见图1)。市场领导者是日ASE、索尼、Amkor、JCET和台积电。大约85%的市场是移动和消费产品,其次是电信和基础设施,然后是汽车包装。

此外,到2025年,SiP I/O间距将从目前的90-350微米缩小到80-90微米。Chitoraga说:“在倒装芯片和线键合SiP中,衬底SAP(半添加工艺)面板与使用铜柱的嵌入式硅桥或使用tsv和微凸点的硅中间体结合使用。”

SiPs包含几种组装方法,包括倒装芯片线材键合SiPs(收入和数量最大),其次是扇形WLP,然后是嵌入式模具封装。Yole Intelligence的技术和市场分析师Gabriela Pereira表示:“SiP使系统设计人员能够灵活地混合和匹配IC技术,优化每个功能块的性能,并降低成本。”“完全集成的SiP解决方案使设计人员能够以最小的设计工作量将蓝牙或摄像头模块等额外功能实现到系统中。”

可以测量体温和测量心电图(ECG)的无线耳塞原型是ASE及其客户开发的可穿戴设备的一个最新例子(见图2)。Kueihao Tseng及其同事强调,工作电子器件、包装和测试框架都位于耳塞的外侧,通过圆形PCB中的pogo销连接。这种方法提高了信号的完整性,并支持部件更换。工程师优化了成型工艺和金属聚合物材料,以实现低阻力(<0.05Ωm),同时保持柔性,舒适贴合。

图2:柔性衬底上的3D SiP模块将导电电极连接到温度传感器,再连接到SiP模块,然后将智能耳塞中的PCB圆起来。来源:日月光半导体

图2:柔性衬底上的3D SiP模块将导电电极连接到温度传感器,再连接到SiP模块,然后将智能耳塞中的PCB圆起来。来源:日月光半导体

在柔性印刷电路上,信号处理IC和无源元件将mv级生物反馈信号转换为数字信号。耳塞用热敏电阻测量温度,比红外LED便宜。通过流程修改,ECG波形能够与Apple watch基准相匹配(见图3)。

图3:使用原型耳塞的心电图结果与Apple watch基准相关联。来源:日月光半导体

图3:使用原型耳塞的心电图结果与Apple watch基准相关联。来源:日月光半导体

进化的过程
将模凸点连接到衬底衬垫有几种主要选择。其中包括:

  • 大规模回流是最成熟和最便宜的。
  • 热压键合(TCB)使用力和热,与低k介质兼容,但它是一种低吞吐量的工艺。
  • 激光辅助键合(LAB)比TCB在更短的过程中提供局部加热。

日月光半导体的Chang说:“对于芯片的应用,激光辅助粘接效果非常好,只要模具尺寸不会太大。”“对于更大的模具,热压粘合可以在大范围内提供均匀的加热和压力。”

LAB由Amkor工程师于2014年开发,自2018年以来已用于装配线的倒装芯片封装。Amkor目前正在开发下一代LAB技术,特别是针对高性能封装中与热界面材料(TIMs)的互连。

“最近,对细间距倒装芯片凸点和大/薄衬底封装的需求有所增加,由于其良好的质量和高生产率,导致业界对LAB的兴趣,”SeokHo Na说安靠韩国。“[2]TIMs有助于在使用黄金等导电接口的倒装芯片bga中从模具到盖子散热。但具有黄金表面的硅模具往往会反射射向它的大部分激光,导致传统LAB的非湿失效。

先进的LAB工艺通过工具的级真空块将激光定向到封装的背面。工程师们调整了工艺条件,包括功率和曝光时间,以便用SnAg尖端形成更可靠的铜柱凸起。Amkor指出,与大规模回流焊相比,LAB不太可能产生焊料侧壁蠕变(排汗),与大规模回流焊相关,并适应更细的凸距。其他架构,如2.5D和3D HBMs(在EMC中),也可能利用LAB。“下一代LAB可能是具有后侧金属(TIM)模具的细间距凸模器件的唯一解决方案,”Na总结道。

嵌入式SiP
嵌入式SiP是一个快速发展的市场。在最近开发的3D嵌入式功率SiP中,成型化合物(EMC)是最大的关注点。该平台的一个特点是夹在衬底之间的功率fet周围的EMC填充过程。EMC必须满足杨氏模量(拉伸)和玻璃化转变温度(流量)的特定参数,以最小化封装翘曲-这在功率晶体管中尤其重要,因为它们无法获得摩尔定律缩放的好处。利用Ansys的全有限元模型软件对翘曲进行了模拟。

图4:通过将层压基板转换为基于引线框架的工艺,并采用优化的热压粘合和成型材料,可以使用单面冷却实现更紧凑的嵌入式SiP。资料来源:公司

图4:通过将层压基板转换为基于引线框架的工艺,并采用优化的热压粘合和成型材料,可以使用单面冷却实现更紧凑的嵌入式SiP。资料来源:公司

Byron Jin Kim是Amkor Technology Korea的高级总监,他的团队使用ICEPAK软件比较了带有双冷却IGBT的嵌入式SiP的热结果,该嵌入式SiP位于直接粘结的铜陶瓷基板上,具有三种嵌入式结构(见图4)。所选的嵌入式工艺(d)使用模具附着在底部基板上,只需要单面冷却。该团队确定,基于引线框架的工艺模块表现出优于叠层衬底设计的热性能。此外,核心球的位置也很重要。

采用助焊剂印刷-放球-回流工艺在顶部基板上制备铜芯球。这种方法是在工艺参数设置中控制焊料润湿的关键,”报告指出。展望未来,Amkor预计将为类似系统提供各种嵌入式SiP选项,包括具有半桥和全桥应用的功率电路。

图5:热压粘合过程显示了模具和铜球的放置(a),铜芯球润湿显示了可路由微引线框架的角度(b),以及成型前的封装侧视图(c)。来源:Amkor

图5:热压粘合过程显示了模具和铜球的放置(a),铜芯球润湿显示了可路由微引线框架的角度(b),以及成型前的封装侧视图(c)。来源:Amkor

封装天线
对于5G和6G,天线技术具有挑战性。因为在毫米波和太赫兹(THz)频率下,从半导体封装到天线的长路径会导致高损耗,所以采用了相控阵天线,而不是单一天线。这就需要将这些天线集成到SiP中。

Yole的Pereira说:“在2018年之前,LGA sip被用于射频行业,但由于双面封装的发展,BGA已被广泛采用。”Broadcom、Qorvo和Skyworks等公司通过DSBGA和DS-MBGA(双面模压BGA)等解决方案实现了逐步创新,而村田公司则直接实现了DS-MBGA以实现系统集成和小型化。台积电的集成扇出封装天线(InFO_AiP)是另一个等待使用的创新解决方案,但由于成本低而被推迟。”

除了不同的封装类型外,用于高频使用的基材也在发生变化。传统PCB材料由于介质损耗大、吸水率高,无法满足5G太赫兹频率的需求。目前业界正在评估各种液晶聚合物(LCP)基材的电性能、密封性和材料灵活性。

Chang说:“我们一直在努力寻找信号强度和信号损耗之间的平衡,就5G而言,我们正在研究许多不同的材料集,不同的LCP集成。”希望这种最小损失解决方案能够简化AiP的整体设计。”

结论
包装厂和代工厂正在追求各种sip,以满足移动消费者、通信和基础设施以及汽车应用的不同需求。为了降低成本和提高制造可靠性,正在为倒装芯片、扇出和嵌入式sip添加新材料和工艺。但是,与保持信号完整性、更快地传输更多数据以及克服工具/基板限制相关的移动目标将继续鼓励下一代创新。

有关的故事
扇出包装越来越有竞争力
可制造性达到足以与倒装芯片BGA和2.5D竞争的水平。

缩放,高级包装,或两者兼而有之
选择的数量在增加,但权衡的清单也在增加。

“包中系统”在阴影中蓬勃发展
多芯片方法适用于所有封装类型,主导着智能手机和可穿戴设备市场。

参考文献

  1. Heyman, L. Peters,“扇出封装变得有竞争力”,半导体工程,2022年8月18日,https://新利体育下载注册www.es-frst.com/fan-out-packaging-gets-competitive/
  2. 刘国强,刘国强,“下一代激光辅助键合(LAB)技术”,第72届电子元器件与技术会议,2022年5月,pp. 1991-1995, doi: 10.1109/ECTC51906.2022.00313。
  3. 曾志林,王凯,张海华,“基于SiP的3D复合聚合物封装智能生物反馈耳塞”,同上,pp. 786-793, doi: 10.1109/ECTC51906.2022.00130。
  4. J. Kim等,“三维嵌入式电源封装模块集成各种电源系统”同上,pp. 289-295, doi: 10.1109/ECTC51906.2022.00054.


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