芯片產業已經意識到,依循摩爾定律的工藝微縮速度已經趨緩,而產業界似乎不愿意面對芯片設計即將發生的巨變──從工藝到封裝技術的轉變

文︱立厷

消費類電子產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;而軟件系統和數以十億計的聯網設備正在迅速形成一個巨大的物聯網(IoT)。

所有這些力量都在推動半導體公司開發新的先進集成電路(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,如扇出式晶圓級封裝(FOWLP)、堆疊式IC封裝和復雜系統級封裝(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,并為電子產品的研發打開了新的機會。讓我們來看看IC封裝行業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尖端產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生了問題,例如限制了I/O引腳數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提高組件密度,行業開發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的集成�！俺�越摩爾”,如多芯片模塊(MCM)和SiP已經成為將大量邏輯和存儲器、模擬、MEMS等集成到(子)系統解決方案中的替代方案。然而,這些方法過去和現在都是針對特定客戶的,且需要花費大量的開發時間和成本。

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開發中起到推波助瀾的作用。

Amkor Technology高級產品營銷和業務開發高級總監Vik Chaudhry認為,IoT的爆發推動了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�？焖俚亟M合不同技術,并通過使用“現成”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成組件來構建解決方案,因為所有構建塊都已經以產品形式存在,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%。