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封装和设计要紧密协同,“适合“就是最好的封装

作者:王莹 电子产品世界时间:2020-09-11来源:电子产品世界收藏

“2020 世界半导体大会(World Semiconductor Conference 2020)于8月底在南京召开。会议期间,长电科技集团技术市场副总裁包旭升做了《微系统集成封装开拓差异化技术创新新领域》的主题报告,并在会后接受了电子产品世界等媒体的采访,一同就封装业的现状及走势进行了探讨,内容涵盖了封装与设计需紧密合作,封装没有高端、低端之分,封装的技术驱动因素,晶圆厂和封装厂在封装方面的各自优势分析,长电科技目前重点发展的封装方向等诸多话题。

本文引用地址:http://www.dzszp.com/article/202009/418224.htm

1   封装与设计需紧密合作

芯片的集成度越来越高,得益于设计和封装的进步。过去人们对封装关注度不够,提到半导体更多的是设计或晶圆制造。但在今天,大家意识到封装的重要性,例如中国大陆的前3家封装厂商都有不错的积累,已进入全球前10。正如在一家公司中,很难评判技术、财务或运营哪一部分更重要,因为实际上每个环节对产品都很重要。

 因此,今天在规划芯片项目时,必须要从开始布局功能模块的时候就跟晶圆厂、封装厂甚至系统厂一起进行协同设计仿真。例如长电科技的设计团队在设计阶段就会与客户充分沟通,后续还会继续在设计仿真方面加大投入力度,这样在客户的设计发布时,长电科技就可把相应的封装做好。

500万彩票网以封装射频集成技术为例,需要客户事先告知射频产品的性能、芯片的布局以及技术需求,之后长电科技会根据工艺能力将元件合理摆放,如有干扰会加做电磁屏蔽,并告诉客户电磁屏蔽的性能以及内部材料的相关情况。

可见,芯片制造和封装是全产业链融合的技术,与20年前各个阶段互不沟通的情况完全不同。

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江苏长电科技股份有限公司

2   封装:没有高端、低端之分

哪种封装以后会成为主流的封装?业内通常将某些技术称为高端封装,有的称为低端封装,这种分法是否合理?

实际上,可以把封装的各种类型想像成工具箱中不同的工具,在不同的应用中使用不同的工具。从这个角度看,封装就没有“高端”或“低端”的区别了。

封装的根本是互联方式(如WB/打线,FC/倒装,RDL/重布线,TSV/硅穿孔,DBI等)和基板 (金属框架,陶瓷基板,有机基板,RDL stack/重布线堆叠,异构基板,转接基板等),芯片与器件的保护与散热方式(塑封,空腔,FcBGA 和裸芯片/WLCSP等),以及不同引脚形式(Lead, Non-lead, BGA等)的结合。

先进封装主要涉及芯片厚度减小和尺寸增大,及其对封装集成敏感度提高,基板线宽距和厚度的减小,互联高度和中心距的减小,引脚中心距的减小,封装体结构的复杂度和集成度提高,以及最终封装体的小型化(X/Y/Z方向)和功能的提升及可能的系统化程度提升。而先进SiP(系统级封装)是先进封装中带有系统功能的多芯片与器件的一种封装形式的总称。与其相对应的则是 SoC(即将系统设计集成于芯片上,然后采用相对SiP简单的封装形式)。

目前有2种SiP封装类型是业界关注度较高的:

1) Chiplet (芯粒),特点是采用了 Chiplet 组件芯片。其更多见于 2。5D 高端 FcBGA 封装以做高速运算等应用。这种封装目前发展迅速很大,前两大晶圆厂投入巨资在建工厂开发这种封装,多用于数字芯片的集成。

2)FEM SiP(前端模块系统级封装)。模拟类芯片,诸如 RF,MEMS 等,多使用 SiP 封装。在这个领域,OSAT(封测代工厂)布局了很多。

500万彩票网值得一提的是,尽管数字类芯片用到的 Chiplet SiP 和 RFFE(射频前端)用到的 FEM SiP 目前在市场中很热,但并不能代表这两种封装可以把业内不同器件的技术难题全都解决。只能说这两类 SiP 被更多地应用和推动了先进封装的技术。

以最近关注度较高的“充电桩”为例,只要用到电的地方就要用到功率器件,像 IGBT,用到的封装就是TO。TO 是原来很早就出现的封装技术,后来发展到管脚更多的 SOD、SOT,再后来发展到 SOP 封装,还有再先进的、脚数更多的 QFN。这几种封装已经出来几十年了,虽然人们对它们的关注度不高,但充电桩、手机里的快充以及第三代半导体(碳化硅、氮化镓)芯片使用的封装技术,既不是 Chiplet 也不是 FEM SiP,而是 TO, SOT, SOP, QFN 等基本技术,但在其基础上完善与进一步发展了,如 IPM (智能功率模块)SiP。

长电科技现在还做 SOP 的研发,所要达到的目的是在相同的封装结构里使用不同的封装材料。例如,在贴芯片的时候会给客户提供不同的贴片材料以达到不同的性能散热和可靠性等级,因为要把散热做到更极致一些,功率和可靠性要做到更高一些,这些改变可以帮助性能得到提升。例如,功率器件里 50% 的性能要依靠封装,所用的封装就是 SOP。所以,只要市场应用在高速发展,所需的封装技术就会受到关注并快速发展。

可见,不论是 2。5D/3D 封装,或者是 FEM SiP,还是用到第三代半导体的 TO, SOT, SOP,都会高速发展并受到关注。

3   封装的技术驱动因素

需求不会无缘无故出现。

500万彩票网3。1   对于SiP封装,分为Chiplet和FEM SiP。

1)Chiplet。第一个驱动因素是在数字类的 SiP 部分。因为摩尔定律目前最小已到了 5 nm制程,正在开发 3 nm,还有人在讨论 1 nm;但与此同时,制造成本在大幅度增加,并不是每家公司都能承担起数亿人民币水平的芯片、流片。一种保险的方式是把经过验证的芯片做成标准化的芯片,再把拥有突出核心竞争力的芯片用新晶圆制程工艺去流片,之后再用 SiP 整合到一起,这样就产生了对 Chiplet SiP 的需求。

2)FEM SiP。对于模拟端,5G 时代,5G 手机要向前兼容4G、3G,因此元件数量是翻倍的,但手机的尺寸不能太大。而且,5G 的功耗也较大,功耗高就要求电池容量更高,从 3800 mAh 做到 4000 mAh、4500 mAh。电池越来越大,也意味着留给芯片的空间就更有限,怎样在更小的空间里集成更高、更多的元件?SiP是目前最有效的技术。

3.2   汽车电子领域的封装变化

首先,汽车电子产品用到的封装技术基本上全部都是已有的、量产的封装技术。因为汽车电子对可靠性的要求很高,所以用到的封装技术必须是量产的,且是在消费类、计算类等产品中经过验证的,才会拿来用到汽车电子中。

其次,原来汽车电子中用到的更多的封装技术是比较传统的,现在已经逐步扩展到了很多高I/O、高密度的封装技术,例如 WB BGA, FCBGA-SiP等。以前,汽车电子中更多的是电控元件,所以 TO、SOP、SOT、QFN 等封装技术在汽车电子上应用了很多年。如今,随着5G的出现,以及汽车电子智能功能的扩展,首先驾驶舱内一些车载信息娱乐系统内的内容扩展到了 Wire Bond(焊线) 等一些封装技术。例如大屏,大屏代表的就是控制芯片的 I/O 多,但又希望它能反应迅速,就像手机用户肯定不希望按完手机屏幕后需要等待片刻手机才有反应。在这种需求下,WB BGA 和 fcCSP 等类型的封装就被应用到汽车电子产品中。

ADAS (高级驾驶员辅助系统)出现后,例如 DMS(疲劳驾驶预警系统),在司机突然犯困时有提示,在这种需求下就出现了新的基于 FCBGA 技术上做的 SiP,它在可靠性以及性能上都是有保障的。

目前,还有边缘计算(Edge computing)。在 5G R16 国际标准出来之后,不太可能把所有的信号都上传到云端去做决策,所以有一部分运算决策需要在车内完成。这就必须要有一个核心的计算单元,类似于服务器的CPU,一旦涉及到高性能、高速的计算,会采用 FC-BGA、 Chiplet SiP 等 2.5D/3D 封装,以及 5 nm,3 nm 这样的芯片,这还需要发展一段时间。

500万彩票网3.3   碳化硅封装技术的挑战

目前,长电科技的客户在用碳化硅时,主要运用的技术是 SOT、SOP、QFN、TO。实际上,碳化硅材料问世以后,还是在沿用原来的一些封装技术。但是,人们在尽力提升封装的性能,以发挥材料的特性,因为碳化硅本身能力很强,但外面穿的“衣服”还不能让它发挥优势。所以封装时,在散热、功率、可靠性方面都要提升,尤其是在电性能提升上的,因为第三代半导体本身就是电性能上的提升。

4   晶圆厂和封装厂在封装方面的各自优势

目前很多晶圆代工厂也在开发 2.5D 和 3D 封装技术,这会给传统封装厂带来冲击吗?

确实存在影响。因为在 2.5D 和 3D 技术中涉及到许多中道封装,是前道封装的延续,而晶圆厂在前道环节是有技术优势的,例如硅转接板(Si TSV Interposer)封装、3D微凸块micro-bumps,或者晶圆的 Wafer to Wafer高密度连接。

而像长电科技等封装厂的优势在于异质异构的集成。无论是 Interposer 还是 Chiplet,如何把这些芯片用封装工艺进行高密度集成是有很大技术挑战的。例如将5、6个芯片集成到倒装芯片球栅格阵列的封装格式(FC-BGA)上,这种封装里需要10L以上的基板,用到很多异质材料。把多个芯片、被动元件、多层基板在后道环节进行集成,这样复杂的工艺难度系数很大。而封装厂在解决这类难题时是有一定技术积累和技术优势的。

例如,长电科技江阴工厂从2008年就开始生产大颗的 FC-BGA 产品,目前近 80 mm x 80 mm 的技术已经验证完成,52.5 mm x 52.5 mm 的产品已经量产多年。未来,长电科技还将继续开发 70 mm、80 mm 以上的产品。目前已经有客户提出希望长电科技开发 100 mm x 100 mm 尺寸的 FC-BGA 封装技术。这些研发项目十分具有挑战性,因为不仅需要处理硅片,还需要处理好基板、被动元器件、散热盖、TIM胶等元件的集成——需要关注这些元件结构配置、翘曲、材料属性,而且还要实现99.9%以上的良率。一旦进入 2.5D/3D 封装领域,如果良率仅能达到 80% 或 90%,是不能被市场接受。因为购入仅仅一颗 FC-BGA 基板就可能花费上百美元,如果良率低,是很难在市场上存活的。

因此,晶圆厂在 2。5D 和 3D 技术领域的开发,对封装厂确实有一定影响,因为晶圆厂能够利用自身优势,在中道晶圆级环节延续竞争力。但是作为封装厂,长电科技也有在 2。5D 和 3D 后道封装领域的经验积累和技术壁垒,当下很难判断输赢。

从供应链角度考虑,很多客户还是期待专业化的分工,希望晶圆厂专注做好芯片,封装再单独找其他厂商来做。

5   客户选择封装厂的考量因素 

涉及到客户的商业模式。实际上,芯片供应商的选择要考虑的因素很多,比如他们服务的客户、客户的具体需求、终端产品所在的区域等。此外,从成本和供应链安全的角度来说,晶圆厂(Fab)的诉求和封装厂的诉求肯定是不一样的。

例如 IDM 厂商也并不是完全不委外制造产品,即便产能不满也会委托其他厂商代工,来起到多方复核的效果,做单一来源的技术是十分危险的。因此,很多大客户有非常严格的双源政策。新产品设计完成后,如果只有一家厂商代工,很多客户宁可不做。这就是为什么一些很好的封装技术被开发出来后,许多大公司不敢轻易采用,主要原因就是双源政策,客户不希望把所有技术环节都押注在同一家公司上。

6   长电科技重点发展的封装

目前长电科技重点发展以下几类封装。

1)SiP,类似于上文提到的 FEM 这种应用于5G的封装。

2)应用于 Chiplet SiP 的 2.5D/3D 封装。

3)晶圆级封装,利用晶圆级技术在射频特性上的优势来发展扇出型(Fan-Out)封装。

4)应用于汽车电子和大数据存储等发展较快的热门封装类型。

上述几类封装技术,在通信领域和消费领域有很多相通之处。例如 SiP 在两个领域内都有应用。虽然不同领域还需要在结构、性能、材料,甚至成本等方面做一些调整,但只要着力发展好通信领域的技术,便能很好地覆盖到其他市场领域客户的需求。例如,消费领域的封装成本压力较大,长电科技将会调整通讯领域所用的高密度封装中的材料和工艺,在保证产品质量和可靠性的基础上,为客户提供成本较低的版本。



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