新興封裝技術(shù)：小型化趨勢永無(wú)止境

　　從MCM、ECP到2.5D的TSV等持續整合電子元件于更小封裝的創(chuàng )新技術(shù)出現，主要的驅動(dòng)力量就來(lái)自于永無(wú)止境地追求更輕薄短小的智慧型手機。TechInsights探討半導體封裝整合的創(chuàng )新能力，同時(shí)預測新上市的三星Galaxy S7和iPhone SE。

　　半導體產(chǎn)業(yè)持續整合電子元件于更小封裝的創(chuàng )新能力，不斷締造出令人贊嘆的成果。我很早就是一個(gè)業(yè)余的愛(ài)好者，曾經(jīng)將封裝于T-05金屬罐的電晶體布線(xiàn)開(kāi)發(fā)板上。這些分離式的電晶體后來(lái)已經(jīng)被早期“電晶體—電晶體邏輯電路”(TTL)晶片中所用的8接腳DiP封裝取代了。

　　一 眨眼幾十年過(guò)去了，封裝整合技術(shù)的進(jìn)展令人印象深刻。例如，圖1顯示從蘋(píng)果(Apple) iPhone 5s智慧型手機拆解而來(lái)的村田(Murata)天線(xiàn)開(kāi)關(guān)。其封裝尺寸為3.7mm x 6.0mm，內含6個(gè)SAW濾波器、Peregrine天線(xiàn)開(kāi)關(guān)、功率放大器，以及一系列分離式電晶體與電容器的組合。

　　這些元件都安裝在類(lèi)似FR4的電路板上，然后用模塑材料封裝起來(lái)，形成完整的多晶片模組(MCM)。

　　圖1：Murata的天線(xiàn)開(kāi)關(guān)模組(封裝模塑材料已移除)

　　但這并不是元件整合于封裝中的唯一方式。從幾年前開(kāi)始，我們看到嵌入式電容器層疊封裝(PoP)于應用處理器中。這種嵌入式元件封裝(ECP)技術(shù)還只是先進(jìn)系統級封裝(SiP)解決方案使用的幾種競爭策略之一。

　　圖 2是Apple協(xié)同封裝A9處理器和記憶體(PoP)的照片，右側X光影像圖則顯示封裝基板上的嵌入式電容器。左圖上方可看到APL1022的封裝標識， 顯示這款晶片是臺積電(TSMC)制造的A9處理器。當然，大家都知道三星(Samsung)也為Apple供應另一款A9晶片。

　　圖2：Apple以PoP封裝的處理器與記憶體(左)與X-ray封裝圖(右)

　　圖3是Apple A9基板其中一款嵌入式電容器的掃描式電子顯微鏡(SEM)橫截面圖。該基板包含底層、中間層與頂層。我們猜測中間層經(jīng)過(guò)沖壓過(guò)程，從而為電容器形成腔室。

　　底層與頂層是以交錯金屬走線(xiàn)和電介質(zhì)的方式層層堆壘起來(lái)。連接至電容器的觸點(diǎn)可能被制造為1st與2nd銅走線(xiàn)形成的一部份，并以雷射鉆孔方式穿過(guò)樹(shù)脂封裝的電容器進(jìn)行過(guò)孔。填充這些過(guò)孔成為銅金屬化的一部份。

　　在FR4基板嵌入電容器，并緊靠著(zhù)A9處理器排放，這么做的目的可能是為了減少A9密集開(kāi)關(guān)電晶體而產(chǎn)生的電雜訊。

　　圖3：Apple A9晶片封裝橫截面

　　TDK將晶片嵌入于其藍牙模組基板中，使得元件嵌入過(guò)程則更進(jìn)一步進(jìn)展。該晶片位于圖4嵌入FR4基板的32KHz晶體振蕩器之下，因此無(wú)法直接看到，但可透過(guò)圖5的封裝圖看到。

　　圖4：TDK藍牙模組

　　圖 5是TDK封裝基板的SEM橫截面圖，顯示嵌入式藍牙晶片的一部份以及連接至FR4頂層銅走線(xiàn)的銅帶。圖片左側的大型過(guò)孔表示采用2階段蝕刻進(jìn)行過(guò)孔，例 如采用雷射鉆孔。第一次雷射鉆孔在晶片上形成過(guò)孔開(kāi)口，以暴露其焊墊，并打開(kāi)FR4層過(guò)孔較寬的上層部份。第二次雷射鉆孔步驟則完成深層的過(guò)孔開(kāi)口，以接 觸至FR4層上的銅走線(xiàn)。

　　圖5：TDK藍牙模組橫截面

　　至于制造模組的順序，圖6提供了更多的線(xiàn)索。從圖中可看到在晶片與第一層FR4之間沿著(zhù)第一層填充樹(shù)脂表面的細縫。在晶片下方未另外連接晶片附加層，顯示該晶片在樹(shù)脂仍是液體形式時(shí)即已固定至玻璃填充樹(shù)脂。

　　我們猜測其步驟是先凝固第1層樹(shù)脂，接著(zhù)沈積封裝晶片的第2層玻璃填充樹(shù)脂。此時(shí)進(jìn)行上述的雷射鉆孔過(guò)孔，接著(zhù)可能是以電沈積銅走線(xiàn)、第3層填充樹(shù)脂，最后連接第2層結構。

　　圖6：TDK T2541藍牙模組橫截面

　　討 論封裝技術(shù)時(shí)當然也不容錯過(guò)2.5D 與矽穿孔(TSV)封裝整合，例如AMD的Fury X繪圖卡。圖7顯示在其2.5D整合方案中的GPU覆晶封裝至晶片中介層，周?chē)@4個(gè)海力士(Hynix)高頻寬記憶體(HBM) DRAM模組。該HBM模組利用中介層表面頂部形成的銅互連以電連接至GPU。

　　圖7：AMD Fury X GPU

　　圖8是AMD Fury X GPU的封裝橫截面圖，顯示連接至矽中介層與底層FR4基板的Hynix HBM模組部份。AMD GPU也以覆晶封裝至相同的中介層，但連接至HBM右側(超出此圖范圍之外)。矽中介層連同4個(gè)HBM模組與GPU依次嵌入于FR4基板上。

　　圖8：AMD Fury X封裝橫截面

　　圖9可以看到用于連接HBM模組至FR4基板與GPU的銅走線(xiàn)，這些都是使用傳統65nm雙金屬鑲嵌制程形成的。我們還可以看到用于連接中介層至FR4基板的銅填充TSV。

　　圖9：矽中介層與銅互連

　　本文簡(jiǎn)要地介紹了三種主要的封裝整合方案：多晶片模組(MCM)、嵌入式元件封裝(ECP)以及 2.5D的TSV封裝。這些方案都是針對需要提高封裝整合度的理想解決方案。

　　如今，業(yè)界盛傳Apple將為即將推出的iPhone 7取消耳機孔，目的就是為了打造更纖薄的手機。然而我們并不確定元件制造商將會(huì )采用哪一種封裝技術(shù)來(lái)搭配。iPhone 7預計要到今年九月才會(huì )發(fā)布，這漫長(cháng)的等待時(shí)間怎不教人心急?