芯片产业已经意识到,依循摩尔定律的工艺微缩速度已经趋缓,而产业界似乎不愿意面对芯片设计即将发生的巨变──从工艺到封装技术的转变
文︱立厷
消费类电子产品和移动通信设备的一个重要趋势是朝着更紧凑、更便携的方向发展。今天的用户要求更多功能、更高性能、更高速度和更小尺寸的解决方案;而软件系统和数以十亿计的联网设备正在迅速形成一个巨大的物联网(IoT)。
所有这些力量都在推动半导体公司开发新的先进集成电路(IC)封装技术,以便以日益小型化的封装提供更高的硅集成度。过去十年,新型封装技术不断涌现,如扇出式晶圆级封装(FOWLP)、堆叠式IC封装和复杂系统级封装(system in package,SiP),以及封装基板、倒装芯片互连和硅通孔等,技术进步明显。
所有这些进步使得IC封装密度显著提高,并为电子产品的研发打开了新的机会。让我们来看看IC封装行业的最新技术和市场趋势,以及最先进的封装和解决方案对于开发尖端产品和保持技术领先有什么重要意义。
封装与摩尔定律息息相关
摩尔定律是一种成功的经验预测,无非是让IC中晶体管的密度每两年翻一番。主要由于栅极长度收缩的减缓,晶体管的集成密度在2D处受到了限制,那么,人们就开始用3D继续推进集成密度。作为3D芯片的堆叠式存储器就是一个例子,相同技术的多层堆叠在一起,进一步增加了集成密度。
为什么芯片制造一直在追求先进IC封装?一个突出目的是为了“超越摩尔定律(Moore than Moore)”。当芯片扩展在每个节点变得越来越困难和昂贵的时候,工程师们只能将多个芯片放入先进封装中,作为芯片扩展的替代方案。
几十年来,半导体加工技术稳步地将特征尺寸从几十微米降到几纳米,有效地使每18个月组件密度翻了一番。然而,与此同时,设计和制造成本上升,临界利润率收窄,许多其他挑战似乎阻碍了进一步的进展。此外,单个芯片中晶体管密度的增加在将芯片连接在一起时产生了问题,例如限制了I/O引脚数和芯片到芯片互连的速度。
事实证明,这些限制在人工智能(AI)边缘和云系统等需要大量高带宽内存的应用中问题尤其明显。为了解决这些问题并继续提高组件密度,行业开发了几种先进封装技术,将多个芯片在一个紧凑、高性能的封装中互连,而封装则作为单个组件在板上运行。
市场需要先进IC封装
对于许多应用来说,摩尔定律已不再具有成本效益,尤其是对于异构函数的集成。“超越摩尔”,如多芯片模块(MCM)和SiP已经成为将大量逻辑和存储器、模拟、MEMS等集成到(子)系统解决方案中的替代方案。然而,这些方法过去和现在都是针对特定客户的,且需要花费大量的开发时间和成本。
所谓“超越摩尔”指的是功能密度的增加,即将多种技术集成到一个复合器件中。这可能包括芯片和/或封装的堆叠;使用多种半导体材料和各种电子布线技术,如球栅阵列(BGA)、硅通孔(TSV)、中间层和引线键合。一个超越摩尔的器件可以通过异构集成将来自不同前道制造节点的逻辑、内存、传感器和天线集成到一个单独的封装中。
利用先进IC封装“超越摩尔”的方法有很多,这里介绍几个主要的技术。
SiP的普及确保IoT增长
许多人认为IoT是第三波技术浪潮,80年代末90年代初的个人电脑热潮是第一波,手机是第二波。在第三波中,工程师们在前两次浪潮的经验和基础上,使日常琐事更加紧密相连。
市场调研机构Strategy Analytics估算,到2023年,以智能家居为代表的全球IoT市场规模将达1570亿美元,半导体增量机会明显,封装技术将在未来系统开发中起到推波助澜的作用。
Amkor Technology高级产品营销和业务开发高级总监Vik Chaudhry认为,IoT的爆发推动了SiP封装的普及,使之成为集成IoT解决方案的流行方式,因为它为制造商提供了机会,可以非常快速地组合不同技术,并通过使用“现成”组件来降低成本。IoT解决方案的尺寸也可以通过集成封装而减小,从而进一步降低成本。
他解释说:“IoT封装要求低成本、良好的功耗(低功耗的硅部分)并支持多种RF标准(如BTLE、Wi-Fi或ZigBee),而且封装具有良好RF屏蔽。当使用传感器时,基于腔的解决方案很受欢迎,特别是当有感知传递要求时,例如麦克风。IoT封装还必须生产就绪,因为上市时间的限制,等待新的定制封装通常是不可行的。最后,不管解决方案是分立的还是集成的,占用空间必须很小。”
对IoT应用来说,SiP是将传感器、嵌入式处理器和RF连接集成到一个小尺寸的完美方式,即传感器融合,而且,这也给制造商提供了一个很快将不同技术结合起来的机会,而无需花费大量资金购买新的掩模组。除了快速上市外,SiP方法还允许制造商使用现成组件来构建解决方案,因为所有构建块都已经以产品形式存在,所以对工程师来说,重新排列组合就可以轻松获得天线位置、功耗等方面的最佳性能;还可以利用封装集成将IoT解决方案的尺寸减少40%。
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