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芯片產(chǎn)業(yè)已經(jīng)意識到,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計即將發(fā)生的巨變──從工藝到封裝技術的轉變

文︱立厷

消費類電子產(chǎn)品和移動通信設備的一個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)以十億計的聯(lián)網(wǎng)設備正在迅速形成一個巨大的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)。

所有這些力量都在推動半導體公司開發(fā)新的先進集成電路(IC)封裝技術,以便以日益小型化的封裝提供更高的硅集成度。過去十年,新型封裝技術不斷涌現(xiàn),如扇出式晶圓級封裝(FOWLP)、堆疊式IC封裝和復雜系統(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,技術進步明顯。

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

封裝與摩爾定律息息相關

摩爾定律是一種成功的經(jīng)驗預測,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)推進集成密度。作為3D芯片的堆疊式存儲器就是一個例子,相同技術的多層堆疊在一起,進一步增加了集成密度。

為什么芯片制造一直在追求先進IC封裝?一個突出目的是為了“超越摩爾定律(Moore than Moore)”。當芯片擴展在每個節(jié)點變得越來越困難和昂貴的時候,工程師們只能將多個芯片放入先進封裝中,作為芯片擴展的替代方案。

幾十年來,半導體加工技術穩(wěn)步地將特征尺寸從幾十微米降到幾納米,有效地使每18個月組件密度翻了一番。然而,與此同時,設計和制造成本上升,臨界利潤率收窄,許多其他挑戰(zhàn)似乎阻礙了進一步的進展。此外,單個芯片中晶體管密度的增加在將芯片連接在一起時產(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存的應用中問題尤其明顯。為了解決這些問題并繼續(xù)提高組件密度,行業(yè)開發(fā)了幾種先進封裝技術,將多個芯片在一個緊湊、高性能的封裝中互連,而封裝則作為單個組件在板上運行。

市場需要先進IC封裝

對于許多應用來說,摩爾定律已不再具有成本效益,尤其是對于異構函數(shù)的集成。“超越摩爾”,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,且需要花費大量的開發(fā)時間和成本。

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

利用先進IC封裝“超越摩爾”的方法有很多,這里介紹幾個主要的技術。

SiP的普及確保IoT增長

許多人認為IoT是第三波技術浪潮,80年代末90年代初的個人電腦熱潮是第一波,手機是第二波。在第三波中,工程師們在前兩次浪潮的經(jīng)驗和基礎上,使日�，嵤赂�加緊密相連。

市場調研機構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1570億美元,半導體增量機會明顯,封裝技術將在未來系統(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)務開發(fā)高級總監(jiān)Vik Chaudhry認為,IoT的爆發(fā)推動了SiP封裝的普及,使之成為集成IoT解決方案的流行方式,因為它為制造商提供了機會,可以非常快速地組合不同技術,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標準(如BTLE、Wi-Fi或ZigBee),而且封裝具有良好RF屏蔽。當使用傳感器時,基于腔的解決方案很受歡迎,特別是當有感知傳遞要求時,例如麥克風。IoT封裝還必須生產(chǎn)就緒,因為上市時間的限制,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應用來說,SiP是將傳感器、嵌入式處理器和RF連接集成到一個小尺寸的完美方式,即傳感器融合,而且,這也給制造商提供了一個很快將不同技術結合起來的機會,而無需花費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)成組件來構建解決方案,因為所有構建塊都已經(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%。