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SIP封装工艺多路并进 POP仍是主流应用

发布时间:2019-06-06 09:50 来源:未知 编辑:admin

  消费类半导体封装经历了数代变迁,从框架类封装到基板类封装再到晶圆级封装,期间更伴随着混合各种工艺的系统级封装技术的发展,这些封装工艺作为半导体产业链的重要一环,为芯片运行提供了有力的支撑和保护。随着芯片性能的提升和市场需求的改变,封装工艺在不断演进,往往新一代芯片的出现,也将会诞生新的封装形式。

  半导体芯片并非“孤岛”,需要通过互连的I/O系统与周边的系统或者电路组成更加复杂的系统。封装为之提供与外部系统的电器连接与稳定可靠的工作环境,并对集成电路芯片起到机械和电热保护作用,以及提供热能通路,保证芯片正常散热与运行。

  华天科技(西安)有限公司先进封装研究院院长谢建友在接受《华强电子》采访时表示,半导体封装工艺要全面考虑电、热、可靠性、可制造性以及成本,并在这些参数中找到平衡点和最优解,每一代封装工艺通常都会按这些指标去通盘考量。

  消费类半导体封装技术从早期到DIP、SOP、QFP、QFN等框架封装到更复杂的基板类封装如PGA、BGA、LGA、FlipChip再到当前的WLCSP、TSV等Wafer Lever级封装,封装密度越来越高,性能要求也越来越复杂。谢建友告诉记者,随着摩尔定律的步伐前进,每一代不同制程都可能催生新的封装形态,封装密度是其主要的技术指标之一,即在同样的面积和体积内,封装的I/O数量更多,整体性能更好,技术难度也会更高。

  相丰科技股份有限公司CEO黄禄珍博士在接受《华强电子》采访时表示,封装技术的指标需要依据芯片的应用特性,由于每项芯片功能并不相同,所以也没有一定的指标。譬如:(1)显示器的驱动IC的封装指标,是以脚位的Pith与数量当作指标,若依显示器的需求,当然脚位愈密愈多,所对应的芯片数量愈少,则可以达到省成本的目标;(2)手机处理器芯片则其属于多脚位的功能指标,所以高密度的脚位及功能是封装的指标;(3)存储器芯片则是属于芯片面积大、低脚位,封装的指标则是低成本为主;(4)COMSSensor是属于影像光学功能,芯片也是低脚位、大面积,但是必需俱有高分辨率的光学功能,所以封装指标大多以光学材料及薄型化为主;(5)其它如功率芯片、通讯RF芯片,都具有功能为主的封装技术指标。当然成本价格是很重要的一项指标,所以各有所属,各有所需,每家的竞争力则依自身实力去找出最有竞争力的模式。

  “封装必须要跟芯片去做结合,芯片的精度越高,封装的精度就要越高。”深圳新美化光电设备有限公司半导体事业部副总经理谢国荣在接受《华强电子》专访时称,精度的指标就要看打线数、失球数、厚薄度、大小度、可靠性等。每一代制程上面都有制程参数,在频繁的更新换代下,这些就是基本的指标方向。

  如今随着PoP、PiP、FoWLP等系统级封装(SiP)的技术应用,封装也实现了从2D向3D的转变。苏州晶方半导体科技股份有限公司副总经理刘宏钧在接受《华强电子》采访时表示,很难将半导体封装量化成某一个单个的指标,在这么多的封装形式中,目前线D封装的芯片,其实就是处理器芯片和存储器芯片,而其它芯片封装用到3D封装的还不是很多,这主要是因为处理器芯片和存储器芯片需要高密度和高集成。

  从半导体封装技术的演讲来看,60年代DIP插入式封装是当时的主流应用,80年代表面贴状技术开始诞生,这一直是依据市场需求驱动,并随着芯片性能升级和制程向前演进,而不断出现新的封装形式。与此同时,工艺也逐渐由引线键合技术发展到焊球阵列封装(BGA),并逐渐向当前3D系统级封装拓展。

  “早期的封装打线需要开窗,开窗的线头没办法做到很小,现在拉金丝工艺在进步,焊接球在缩小,整体面积也在缩小,很多细微的东西都在缩小。”谢国荣告诉记者,台积电从最早的微米级工艺,做到现在纳米级工艺,使得原来单位面积内可以容纳更大的IC集成,发展更精密、更微小的半导体芯片,那封装就需要配合上去,同步缩小,所以才不断演进到今天这么多的封装工艺。

  谢国荣是封装工艺一路演进的见证者,早在35年前他刚从事半导体封装行业时,业内就传言DIP封装技术会被淘汰,如今DIP技术依然有其应用空间。谢国荣称,封装工艺的集成在初始过程当中,功能集成越多,面积越大,因此并不符合实际的应用需求,于是系统级封装(SiP)就应运而生。

  SiP没有一个标准的封装形式,包含了PoP、PiP、FoWLP、TSV等封装形式,这不像早期的DIP、QFP等封装技术,存在一个界定的模式。而在SiP这些封装形式中,智能手机芯片封装市场是其发展的主要驱动。

  根据Statistita预计,2015年至2018年智能手机出货量将由14.32亿部上升至18.73亿部,年复合率9.4%,是半导体产业在下游终端应用中最大贡献者,到2018年,半导体市场将达到3900亿美元,智能手机也将是其主要的应用载体。

  那么如今的SiP在智能手机芯片封装中的发展路径又是如何?谢建友告诉记者,SiP是System in Pacakge的简称,包含多个裸芯、封装件、无源器件甚至MEMS的子系统或完整系统的封装都可以称之为SiP,SiP可以是Wire Bonding, Flip Chip,Wafer Lever Package、SMT、stack die、PiP、PoP等一种技术或者多种技术的混合应用。而在SiP的技术进化中,追求轻薄快、高集成的消费电子,尤其是智能手机芯片封装市场是其发展的主要驱动力,因此根据具体应用特性,综合考量电、热、可靠性、可制造性和成本才能达到一个平衡点。

  随着2007年3G时代开启,手机芯片对逻辑运算功能和存储空间需求提升,也对封装设计提出了更高的挑战,于是PoP(Package on Package)就成为了3G手机AP芯片封装值得考虑的优选方案。谢建友告诉记者,PoP技术被大量应用的一个原因主要是因为手机电池可用空间太小加上PCB布线密度极高,AP和DDR之间要求差分对内部等长的控制,单端阻抗的控制,时序的控制,所以PCB板面积很大,这导致了电池空间很小。通过PoP封装之后,因为AP和LPDDRx直接通过Z方向锡球直接互联了,所以节约了高速电路大量的布线面积。封装密度大大提高,性能却更好了,这正是高密度封装解决系统问题的典型应用。

  “诺基亚全键盘E系列智能手机AP是最早采用PoP封装的芯片之一,之前想把电池空间做大多数是采用PoP封装技术,诺基亚智能机大面积使用PoP封装工艺后,苹果、三星等后来者也大量使用了PoP封装。”谢建友表示,PoP与SiP是两个不同的概念,PoP是SiP封装实现的方式之一,目前高通、三星、华为AP都基本采用PoP封装工艺,而苹果最新的AP工艺已经使用了InFO的封装,把三维封装提到了一个更高的密度上。

  “PoP可以通过叠加封装,也可以并排通过铜线去做连接,也可以用锡珠去做连接,这跟系统级封装的构成相同。”谢国荣告诉记者,PoP封装最早是3G手机芯片的封装的主流方式,但在数码相机市场发展初期也有一定的应用,而目前4G手机芯片封装,PoP技术还是主流。

  而在NAND Flash领域,目前业界最多可以做到32层stack die,常见量产的NAND Flash一般堆叠8层或16层,因为SI/PI与可制造性方面的限制,常见的逻辑器件堆叠一般不会超过四个。

  刘宏钧也认为,现在手机对存储需求越来越大,传统的工艺已经不能适用,只能通过SiP封装在厚度层数上做改变,所以就有了现在的16/32/64层,现在高端的产品都在迈向64层,像三星也有能力做到64层,但在良率方面还有待提高,这需要一定的时间来实现。

  “因为有封装体厚度的限制,目前台厂主流封装叠加在8层左右,做到叠加8层也不容易,因为芯片的要求会很薄,这就很容易破裂,良率也难以保证。”谢国荣说到。

  刘宏钧强调,处理器芯片里面需要整合的东西越来越多,所以如果维持原来的封装,经线长度会更长,信号会存在一定影响。现在芯片的封装层叠还没有那么高,单个封装体基本都是两叠,像PoP中的单个封装主流是做到两叠,也可以做到四叠甚至更高,晶方现在做的就是两叠,这也是目前SiP封装主流的规模化应用。(责编:振鹏)

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