封裝和設計要緊密協(xié)同，“適合“就是最好的封裝

“2020 世界半導體大會(huì )（World Semiconductor Conference 2020）于8月底在南京召開(kāi)。會(huì )議期間，長(cháng)電科技集團技術(shù)市場(chǎng)副總裁包旭升做了《微系統集成封裝開(kāi)拓差異化技術(shù)創(chuàng )新新領(lǐng)域》的主題報告，并在會(huì )后接受了電子產(chǎn)品世界等媒體的采訪(fǎng)，一同就封裝業(yè)的現狀及走勢進(jìn)行了探討，內容涵蓋了封裝與設計需緊密合作，封裝沒(méi)有高端、低端之分，封裝的技術(shù)驅動(dòng)因素，晶圓廠(chǎng)和封裝廠(chǎng)在封裝方面的各自?xún)?yōu)勢分析，長(cháng)電科技目前重點(diǎn)發(fā)展的封裝方向等諸多話(huà)題。

1   封裝與設計需緊密合作

芯片的集成度越來(lái)越高，得益于設計和封裝的進(jìn)步。過(guò)去人們對封裝關(guān)注度不夠，提到半導體更多的是設計或晶圓制造。但在今天，大家意識到封裝的重要性，例如中國大陸的前3家封裝廠(chǎng)商都有不錯的積累，已進(jìn)入全球前10。正如在一家公司中，很難評判技術(shù)、財務(wù)或運營(yíng)哪一部分更重要，因為實(shí)際上每個(gè)環(huán)節對產(chǎn)品都很重要。

 因此，今天在規劃芯片項目時(shí)，必須要從開(kāi)始布局功能模塊的時(shí)候就跟晶圓廠(chǎng)、封裝廠(chǎng)甚至系統廠(chǎng)一起進(jìn)行協(xié)同設計仿真。例如長(cháng)電科技的設計團隊在設計階段就會(huì )與客戶(hù)充分溝通，后續還會(huì )繼續在設計仿真方面加大投入力度，這樣在客戶(hù)的設計發(fā)布時(shí)，長(cháng)電科技就可把相應的封裝做好。

以封裝射頻集成技術(shù)為例，需要客戶(hù)事先告知射頻產(chǎn)品的性能、芯片的布局以及技術(shù)需求，之后長(cháng)電科技會(huì )根據工藝能力將元件合理擺放，如有干擾會(huì )加做電磁屏蔽，并告訴客戶(hù)電磁屏蔽的性能以及內部材料的相關(guān)情況。

可見(jiàn)，芯片制造和封裝是全產(chǎn)業(yè)鏈融合的技術(shù)，與20年前各個(gè)階段互不溝通的情況完全不同。

江蘇長(cháng)電科技股份有限公司

2   封裝：沒(méi)有高端、低端之分

哪種封裝以后會(huì )成為主流的封裝？業(yè)內通常將某些技術(shù)稱(chēng)為高端封裝，有的稱(chēng)為低端封裝，這種分法是否合理？

實(shí)際上，可以把封裝的各種類(lèi)型想像成工具箱中不同的工具，在不同的應用中使用不同的工具。從這個(gè)角度看，封裝就沒(méi)有“高端”或“低端”的區別了。

封裝的根本是互聯(lián)方式（如WB/打線(xiàn)，FC/倒裝，RDL/重布線(xiàn)，TSV/硅穿孔，DBI等）和基板 （金屬框架，陶瓷基板，有機基板，RDL stack/重布線(xiàn)堆疊，異構基板，轉接基板等），芯片與器件的保護與散熱方式（塑封，空腔，FcBGA 和裸芯片/WLCSP等），以及不同引腳形式（Lead, Non-lead, BGA等）的結合。

先進(jìn)封裝主要涉及芯片厚度減小和尺寸增大，及其對封裝集成敏感度提高，基板線(xiàn)寬距和厚度的減小，互聯(lián)高度和中心距的減小，引腳中心距的減小，封裝體結構的復雜度和集成度提高，以及最終封裝體的小型化（X/Y/Z方向）和功能的提升及可能的系統化程度提升。而先進(jìn)SiP（系統級封裝）是先進(jìn)封裝中帶有系統功能的多芯片與器件的一種封裝形式的總稱(chēng)。與其相對應的則是 SoC（即將系統設計集成于芯片上，然后采用相對SiP簡(jiǎn)單的封裝形式）。

目前有2種SiP封裝類(lèi)型是業(yè)界關(guān)注度較高的：

1) Chiplet （芯粒），特點(diǎn)是采用了 Chiplet 組件芯片。其更多見(jiàn)于 2.5D 高端 FcBGA 封裝以做高速運算等應用。這種封裝目前發(fā)展迅速很大，前兩大晶圓廠(chǎng)投入巨資在建工廠(chǎng)開(kāi)發(fā)這種封裝，多用于數字芯片的集成。

2）FEM SiP（前端模塊系統級封裝）。模擬類(lèi)芯片，諸如 RF，MEMS 等，多使用 SiP 封裝。在這個(gè)領(lǐng)域，OSAT（封測代工廠(chǎng)）布局了很多。

值得一提的是，盡管數字類(lèi)芯片用到的 Chiplet SiP 和 RFFE（射頻前端）用到的 FEM SiP 目前在市場(chǎng)中很熱，但并不能代表這兩種封裝可以把業(yè)內不同器件的技術(shù)難題全都解決。只能說(shuō)這兩類(lèi) SiP 被更多地應用和推動(dòng)了先進(jìn)封裝的技術(shù)。

以最近關(guān)注度較高的“充電樁”為例，只要用到電的地方就要用到功率器件，像 IGBT，用到的封裝就是TO。TO 是原來(lái)很早就出現的封裝技術(shù)，后來(lái)發(fā)展到管腳更多的 SOD、SOT，再后來(lái)發(fā)展到 SOP 封裝，還有再先進(jìn)的、腳數更多的 QFN。這幾種封裝已經(jīng)出來(lái)幾十年了，雖然人們對它們的關(guān)注度不高，但充電樁、手機里的快充以及第三代半導體（碳化硅、氮化鎵）芯片使用的封裝技術(shù)，既不是 Chiplet 也不是 FEM SiP，而是 TO, SOT, SOP, QFN 等基本技術(shù)，但在其基礎上完善與進(jìn)一步發(fā)展了，如 IPM （智能功率模塊）SiP。

長(cháng)電科技現在還做 SOP 的研發(fā)，所要達到的目的是在相同的封裝結構里使用不同的封裝材料。例如，在貼芯片的時(shí)候會(huì )給客戶(hù)提供不同的貼片材料以達到不同的性能散熱和可靠性等級，因為要把散熱做到更極致一些，功率和可靠性要做到更高一些，這些改變可以幫助性能得到提升。例如，功率器件里 50% 的性能要依靠封裝，所用的封裝就是 SOP。所以，只要市場(chǎng)應用在高速發(fā)展，所需的封裝技術(shù)就會(huì )受到關(guān)注并快速發(fā)展。

可見(jiàn)，不論是 2.5D/3D 封裝，或者是 FEM SiP，還是用到第三代半導體的 TO, SOT, SOP，都會(huì )高速發(fā)展并受到關(guān)注。

3   封裝的技術(shù)驅動(dòng)因素

需求不會(huì )無(wú)緣無(wú)故出現。

3.1   對于SiP封裝，分為Chiplet和FEM SiP。

1)Chiplet。第一個(gè)驅動(dòng)因素是在數字類(lèi)的 SiP 部分。因為摩爾定律目前最小已到了 5 nm制程，正在開(kāi)發(fā) 3 nm，還有人在討論 1 nm；但與此同時(shí)，制造成本在大幅度增加，并不是每家公司都能承擔起數億人民幣水平的芯片、流片。一種保險的方式是把經(jīng)過(guò)驗證的芯片做成標準化的芯片，再把擁有突出核心競爭力的芯片用新晶圓制程工藝去流片，之后再用 SiP 整合到一起，這樣就產(chǎn)生了對 Chiplet SiP 的需求。

2)FEM SiP。對于模擬端，5G 時(shí)代，5G 手機要向前兼容4G、3G，因此元件數量是翻倍的，但手機的尺寸不能太大。而且，5G 的功耗也較大，功耗高就要求電池容量更高，從 3800 mAh 做到 4000 mAh、4500 mAh。電池越來(lái)越大，也意味著(zhù)留給芯片的空間就更有限，怎樣在更小的空間里集成更高、更多的元件？SiP是目前最有效的技術(shù)。

3.2   汽車(chē)電子領(lǐng)域的封裝變化

首先，汽車(chē)電子產(chǎn)品用到的封裝技術(shù)基本上全部都是已有的、量產(chǎn)的封裝技術(shù)。因為汽車(chē)電子對可靠性的要求很高，所以用到的封裝技術(shù)必須是量產(chǎn)的，且是在消費類(lèi)、計算類(lèi)等產(chǎn)品中經(jīng)過(guò)驗證的，才會(huì )拿來(lái)用到汽車(chē)電子中。

其次，原來(lái)汽車(chē)電子中用到的更多的封裝技術(shù)是比較傳統的，現在已經(jīng)逐步擴展到了很多高I/O、高密度的封裝技術(shù)，例如 WB BGA, FCBGA-SiP等。以前，汽車(chē)電子中更多的是電控元件，所以 TO、SOP、SOT、QFN 等封裝技術(shù)在汽車(chē)電子上應用了很多年。如今，隨著(zhù)5G的出現，以及汽車(chē)電子智能功能的擴展，首先駕駛艙內一些車(chē)載信息娛樂(lè )系統內的內容擴展到了 Wire Bond（焊線(xiàn)） 等一些封裝技術(shù)。例如大屏，大屏代表的就是控制芯片的 I/O 多，但又希望它能反應迅速，就像手機用戶(hù)肯定不希望按完手機屏幕后需要等待片刻手機才有反應。在這種需求下，WB BGA 和 fcCSP 等類(lèi)型的封裝就被應用到汽車(chē)電子產(chǎn)品中。

ADAS （高級駕駛員輔助系統）出現后，例如 DMS（疲勞駕駛預警系統），在司機突然犯困時(shí)有提示，在這種需求下就出現了新的基于 FCBGA 技術(shù)上做的 SiP，它在可靠性以及性能上都是有保障的。

目前，還有邊緣計算（Edge computing）。在 5G R16 國際標準出來(lái)之后，不太可能把所有的信號都上傳到云端去做決策，所以有一部分運算決策需要在車(chē)內完成。這就必須要有一個(gè)核心的計算單元，類(lèi)似于服務(wù)器的CPU，一旦涉及到高性能、高速的計算，會(huì )采用 FC-BGA、 Chiplet SiP 等 2.5D/3D 封裝，以及 5 nm，3 nm 這樣的芯片，這還需要發(fā)展一段時(shí)間。

3.3   碳化硅封裝技術(shù)的挑戰

目前，長(cháng)電科技的客戶(hù)在用碳化硅時(shí)，主要運用的技術(shù)是 SOT、SOP、QFN、TO。實(shí)際上，碳化硅材料問(wèn)世以后，還是在沿用原來(lái)的一些封裝技術(shù)。但是，人們在盡力提升封裝的性能，以發(fā)揮材料的特性，因為碳化硅本身能力很強，但外面穿的“衣服”還不能讓它發(fā)揮優(yōu)勢。所以封裝時(shí)，在散熱、功率、可靠性方面都要提升，尤其是在電性能提升上的，因為第三代半導體本身就是電性能上的提升。

4   晶圓廠(chǎng)和封裝廠(chǎng)在封裝方面的各自?xún)?yōu)勢

目前很多晶圓代工廠(chǎng)也在開(kāi)發(fā) 2.5D 和 3D 封裝技術(shù)，這會(huì )給傳統封裝廠(chǎng)帶來(lái)沖擊嗎？

確實(shí)存在影響。因為在 2.5D 和 3D 技術(shù)中涉及到許多中道封裝，是前道封裝的延續，而晶圓廠(chǎng)在前道環(huán)節是有技術(shù)優(yōu)勢的，例如硅轉接板（Si TSV Interposer）封裝、3D微凸塊micro-bumps，或者晶圓的 Wafer to Wafer高密度連接。

而像長(cháng)電科技等封裝廠(chǎng)的優(yōu)勢在于異質(zhì)異構的集成。無(wú)論是 Interposer 還是 Chiplet，如何把這些芯片用封裝工藝進(jìn)行高密度集成是有很大技術(shù)挑戰的。例如將5、6個(gè)芯片集成到倒裝芯片球柵格陣列的封裝格式（FC-BGA）上，這種封裝里需要10L以上的基板，用到很多異質(zhì)材料。把多個(gè)芯片、被動(dòng)元件、多層基板在后道環(huán)節進(jìn)行集成，這樣復雜的工藝難度系數很大。而封裝廠(chǎng)在解決這類(lèi)難題時(shí)是有一定技術(shù)積累和技術(shù)優(yōu)勢的。

例如，長(cháng)電科技江陰工廠(chǎng)從2008年就開(kāi)始生產(chǎn)大顆的 FC-BGA 產(chǎn)品，目前近 80 mm x 80 mm 的技術(shù)已經(jīng)驗證完成，52.5 mm x 52.5 mm 的產(chǎn)品已經(jīng)量產(chǎn)多年。未來(lái)，長(cháng)電科技還將繼續開(kāi)發(fā) 70 mm、80 mm 以上的產(chǎn)品。目前已經(jīng)有客戶(hù)提出希望長(cháng)電科技開(kāi)發(fā) 100 mm x 100 mm 尺寸的 FC-BGA 封裝技術(shù)。這些研發(fā)項目十分具有挑戰性，因為不僅需要處理硅片，還需要處理好基板、被動(dòng)元器件、散熱蓋、TIM膠等元件的集成——需要關(guān)注這些元件結構配置、翹曲、材料屬性，而且還要實(shí)現99.9%以上的良率。一旦進(jìn)入 2.5D/3D 封裝領(lǐng)域，如果良率僅能達到 80% 或 90%，是不能被市場(chǎng)接受。因為購入僅僅一顆 FC-BGA 基板就可能花費上百美元，如果良率低，是很難在市場(chǎng)上存活的。

因此，晶圓廠(chǎng)在 2.5D 和 3D 技術(shù)領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)，對封裝廠(chǎng)確實(shí)有一定影響，因為晶圓廠(chǎng)能夠利用自身優(yōu)勢，在中道晶圓級環(huán)節延續競爭力。但是作為封裝廠(chǎng)，長(cháng)電科技也有在 2.5D 和 3D 后道封裝領(lǐng)域的經(jīng)驗積累和技術(shù)壁壘，當下很難判斷輸贏(yíng)。

從供應鏈角度考慮，很多客戶(hù)還是期待專(zhuān)業(yè)化的分工，希望晶圓廠(chǎng)專(zhuān)注做好芯片，封裝再單獨找其他廠(chǎng)商來(lái)做。

5   客戶(hù)選擇封裝廠(chǎng)的考量因素 

涉及到客戶(hù)的商業(yè)模式。實(shí)際上，芯片供應商的選擇要考慮的因素很多，比如他們服務(wù)的客戶(hù)、客戶(hù)的具體需求、終端產(chǎn)品所在的區域等。此外，從成本和供應鏈安全的角度來(lái)說(shuō)，晶圓廠(chǎng)（Fab）的訴求和封裝廠(chǎng)的訴求肯定是不一樣的。

例如 IDM 廠(chǎng)商也并不是完全不委外制造產(chǎn)品，即便產(chǎn)能不滿(mǎn)也會(huì )委托其他廠(chǎng)商代工，來(lái)起到多方復核的效果，做單一來(lái)源的技術(shù)是十分危險的。因此，很多大客戶(hù)有非常嚴格的雙源政策。新產(chǎn)品設計完成后，如果只有一家廠(chǎng)商代工，很多客戶(hù)寧可不做。這就是為什么一些很好的封裝技術(shù)被開(kāi)發(fā)出來(lái)后，許多大公司不敢輕易采用，主要原因就是雙源政策，客戶(hù)不希望把所有技術(shù)環(huán)節都押注在同一家公司上。

6   長(cháng)電科技重點(diǎn)發(fā)展的封裝

目前長(cháng)電科技重點(diǎn)發(fā)展以下幾類(lèi)封裝。

1）SiP，類(lèi)似于上文提到的 FEM 這種應用于5G的封裝。

2）應用于 Chiplet SiP 的 2.5D/3D 封裝。

3）晶圓級封裝，利用晶圓級技術(shù)在射頻特性上的優(yōu)勢來(lái)發(fā)展扇出型（Fan-Out）封裝。

4）應用于汽車(chē)電子和大數據存儲等發(fā)展較快的熱門(mén)封裝類(lèi)型。

上述幾類(lèi)封裝技術(shù)，在通信領(lǐng)域和消費領(lǐng)域有很多相通之處。例如 SiP 在兩個(gè)領(lǐng)域內都有應用。雖然不同領(lǐng)域還需要在結構、性能、材料，甚至成本等方面做一些調整，但只要著(zhù)力發(fā)展好通信領(lǐng)域的技術(shù)，便能很好地覆蓋到其他市場(chǎng)領(lǐng)域客戶(hù)的需求。例如，消費領(lǐng)域的封裝成本壓力較大，長(cháng)電科技將會(huì )調整通訊領(lǐng)域所用的高密度封裝中的材料和工藝，在保證產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的基礎上，為客戶(hù)提供成本較低的版本。