芯片產(chǎn)業(yè)已經(jīng)意識(shí)到,依循摩爾定律的工藝微縮速度已經(jīng)趨緩,而產(chǎn)業(yè)界似乎不愿意面對芯片設(shè)計(jì)即將發(fā)生的巨變──從工藝到封裝技術(shù)的轉(zhuǎn)變

文︱立厷

消費(fèi)類電子產(chǎn)品和移動(dòng)通信設(shè)備的一個(gè)重要趨勢是朝著更緊湊、更便攜的方向發(fā)展。今天的用戶要求更多功能、更高性能、更高速度和更小尺寸的解決方案;而軟件系統(tǒng)和數(shù)以十億計(jì)的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備正在迅速形成一個(gè)巨大的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)。

所有這些力量都在推動(dòng)半導(dǎo)體公司開發(fā)新的先進(jìn)集成電路(IC)封裝技術(shù),以便以日益小型化的封裝提供更高的硅集成度。過去十年,新型封裝技術(shù)不斷涌現(xiàn),如扇出式晶圓級封裝(FOWLP)、堆疊式IC封裝和復(fù)雜系統(tǒng)級封裝(system in package,SiP),以及封裝基板、倒裝芯片互連和硅通孔等,技術(shù)進(jìn)步明顯。

所有這些進(jìn)步使得IC封裝密度顯著提高,并為電子產(chǎn)品的研發(fā)打開了新的機(jī)會(huì)。讓我們來看看IC封裝行業(yè)的最新技術(shù)和市場趨勢,以及最先進(jìn)的封裝和解決方案對于開發(fā)尖端產(chǎn)品和保持技術(shù)領(lǐng)先有什么重要意義。

封裝與摩爾定律息息相關(guān)

摩爾定律是一種成功的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測,無非是讓IC中晶體管的密度每兩年翻一番。主要由于柵極長度收縮的減緩,晶體管的集成密度在2D處受到了限制,那么,人們就開始用3D繼續(xù)推進(jìn)集成密度。作為3D芯片的堆疊式存儲(chǔ)器就是一個(gè)例子,相同技術(shù)的多層堆疊在一起,進(jìn)一步增加了集成密度。

為什么芯片制造一直在追求先進(jìn)IC封裝?一個(gè)突出目的是為了“超越摩爾定律(Moore than Moore)”。當(dāng)芯片擴(kuò)展在每個(gè)節(jié)點(diǎn)變得越來越困難和昂貴的時(shí)候,工程師們只能將多個(gè)芯片放入先進(jìn)封裝中,作為芯片擴(kuò)展的替代方案。

幾十年來,半導(dǎo)體加工技術(shù)穩(wěn)步地將特征尺寸從幾十微米降到幾納米,有效地使每18個(gè)月組件密度翻了一番。然而,與此同時(shí),設(shè)計(jì)和制造成本上升,臨界利潤率收窄,許多其他挑戰(zhàn)似乎阻礙了進(jìn)一步的進(jìn)展。此外,單個(gè)芯片中晶體管密度的增加在將芯片連接在一起時(shí)產(chǎn)生了問題,例如限制了I/O引腳數(shù)和芯片到芯片互連的速度。

事實(shí)證明,這些限制在人工智能(AI)邊緣和云系統(tǒng)等需要大量高帶寬內(nèi)存的應(yīng)用中問題尤其明顯。為了解決這些問題并繼續(xù)提高組件密度,行業(yè)開發(fā)了幾種先進(jìn)封裝技術(shù),將多個(gè)芯片在一個(gè)緊湊、高性能的封裝中互連,而封裝則作為單個(gè)組件在板上運(yùn)行。

市場需要先進(jìn)IC封裝

對于許多應(yīng)用來說,摩爾定律已不再具有成本效益,尤其是對于異構(gòu)函數(shù)的集成�！俺�越摩爾”,如多芯片模塊(MCM)和SiP已經(jīng)成為將大量邏輯和存儲(chǔ)器、模擬、MEMS等集成到(子)系統(tǒng)解決方案中的替代方案。然而,這些方法過去和現(xiàn)在都是針對特定客戶的,且需要花費(fèi)大量的開發(fā)時(shí)間和成本。

所謂“超越摩爾”指的是功能密度的增加,即將多種技術(shù)集成到一個(gè)復(fù)合器件中。這可能包括芯片和/或封裝的堆疊;使用多種半導(dǎo)體材料和各種電子布線技術(shù),如球柵陣列(BGA)、硅通孔(TSV)、中間層和引線鍵合。一個(gè)超越摩爾的器件可以通過異構(gòu)集成將來自不同前道制造節(jié)點(diǎn)的邏輯、內(nèi)存、傳感器和天線集成到一個(gè)單獨(dú)的封裝中。

利用先進(jìn)IC封裝“超越摩爾”的方法有很多,這里介紹幾個(gè)主要的技術(shù)。

SiP的普及確保IoT增長

許多人認(rèn)為IoT是第三波技術(shù)浪潮,80年代末90年代初的個(gè)人電腦熱潮是第一波,手機(jī)是第二波。在第三波中,工程師們在前兩次浪潮的經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)上,使日常瑣事更加緊密相連。

市場調(diào)研機(jī)構(gòu)Strategy Analytics估算,到2023年,以智能家居為代表的全球IoT市場規(guī)模將達(dá)1570億美元,半導(dǎo)體增量機(jī)會(huì)明顯,封裝技術(shù)將在未來系統(tǒng)開發(fā)中起到推波助瀾的作用。

Amkor Technology高級產(chǎn)品營銷和業(yè)務(wù)開發(fā)高級總監(jiān)Vik Chaudhry認(rèn)為,IoT的爆發(fā)推動(dòng)了SiP封裝的普及,使之成為集成IoT解決方案的流行方式,因?yàn)樗鼮橹圃焐烫峁┝藱C(jī)會(huì),可以非�？焖俚亟M合不同技術(shù),并通過使用“現(xiàn)成”組件來降低成本。IoT解決方案的尺寸也可以通過集成封裝而減小,從而進(jìn)一步降低成本。

他解釋說:“IoT封裝要求低成本、良好的功耗(低功耗的硅部分)并支持多種RF標(biāo)準(zhǔn)(如BTLE、Wi-Fi或ZigBee),而且封裝具有良好RF屏蔽。當(dāng)使用傳感器時(shí),基于腔的解決方案很受歡迎,特別是當(dāng)有感知傳遞要求時(shí),例如麥克風(fēng)。IoT封裝還必須生產(chǎn)就緒,因?yàn)樯鲜袝r(shí)間的限制,等待新的定制封裝通常是不可行的。最后,不管解決方案是分立的還是集成的,占用空間必須很小。”

對IoT應(yīng)用來說,SiP是將傳感器、嵌入式處理器和RF連接集成到一個(gè)小尺寸的完美方式,即傳感器融合,而且,這也給制造商提供了一個(gè)很快將不同技術(shù)結(jié)合起來的機(jī)會(huì),而無需花費(fèi)大量資金購買新的掩模組。除了快速上市外,SiP方法還允許制造商使用現(xiàn)成組件來構(gòu)建解決方案,因?yàn)樗�有�?gòu)建塊都已經(jīng)以產(chǎn)品形式存在,所以對工程師來說,重新排列組合就可以輕松獲得天線位置、功耗等方面的最佳性能;還可以利用封裝集成將IoT解決方案的尺寸減少40%。