封装技术的演变：小型化是趋势

pjh02032121 · 发表于 2017-4-11 20:21

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从MCM、ECP到2.5D的TSV等持续整合电子元件于更小封装的创新技术出现，主要的驱动力量就来自于永无止境地追求更轻薄短小的智慧型手机。

半导体产业持续整合电子元件于更小封装的创新能力，不断缔造出令人赞叹的成果。我很早就是一个业余的爱好者，曾经将封装于T-05金属罐的电晶体布线开发板上。这些分离式的电晶体后来已经被早期“电晶体—电晶体逻辑电路”（TTL）晶片中所用的8接脚DiP封装取代了。

一眨眼几十年过去了，封装整合技术的进展令人印象深刻。例如，图1显示从苹果（Apple） iPhone 5s智慧型手机拆解而来的村田（Murata）天线开关。其封装尺寸为3.7mm x 6.0mm，内含6个SAW滤波器、Peregrine天线开关、功率放大器，以及一系列分离式电晶体与电容器的组合。

这些元件都安装在类似FR4的电路板上，然后用模塑材料封装起来，形成完整的多晶片模组（MCM）。

图1：Murata的天线开关模组（封装模塑材料已移除）

但这并不是元件整合于封装中的唯一方式。从几年前开始，我们看到嵌入式电容器层叠封装（PoP）于应用处理器中。这种嵌入式元件封装（ECP）技术还只是先进系统级封装（SiP）解决方案使用的几种竞争策略之一。

图2是Apple协同封装A9处理器和记忆体（PoP）的照片，右侧X光影像图则显示封装基板上的嵌入式电容器。左图上方可看到APL1022的封装标识，显示这款晶片是台积电（TSMC）制造的A9处理器。当然，大家都知道三星（Samsung）也为Apple供应另一款A9晶片。

图2：Apple以PoP封装的处理器与记忆体（左）与X-ray封装图（右）

图3是Apple A9基板其中一款嵌入式电容器的扫描式电子显微镜（SEM）横截面图。该基板包含底层、中间层与顶层。我们猜测中间层经过冲压过程，从而为电容器形成腔室。

底层与顶层是以交错金属走线和电介质的方式层层堆垒起来。连接至电容器的触点可能被制造为1st与2nd铜走线形成的一部份，并以雷射钻孔方式穿过树脂封装的电容器进行过孔。填充这些过孔成为铜金属化的一部份。

在FR4基板嵌入电容器，并紧靠着A9处理器排放，这么做的目的可能是为了减少A9密集开关电晶体而产生的电杂讯。

图3：Apple A9晶片封装横截面

TDK将晶片嵌入于其蓝牙模组基板中，使得元件嵌入过程则更进一步进展。该晶片位于图4嵌入FR4基板的32KHz晶体振荡器之下，因此无法直接看到，但可透过图5的封装图看到。

图4：TDK蓝牙模组

图5是TDK封装基板的SEM横截面图，显示嵌入式蓝牙晶片的一部份以及连接至FR4顶层铜走线的铜带。图片左侧的大型过孔表示采用2阶段蚀刻进行过孔，例如采用雷射钻孔。第一次雷射钻孔在晶片上形成过孔开口，以暴露其焊垫，并打开FR4层过孔较宽的上层部份。第二次雷射钻孔步骤则完成深层的过孔开口，以接触至FR4层上的铜走线。

图5：TDK蓝牙模组横截面

至于制造模组的顺序，图6提供了更多的线索。从图中可看到在晶片与第一层FR4之间沿着第一层填充树脂表面的细缝。在晶片下方未另外连接晶片附加层，显示该晶片在树脂仍是液体形式时即已固定至玻璃填充树脂。

我们猜测其步骤是先凝固第1层树脂，接着沈积封装晶片的第2层玻璃填充树脂。此时进行上述的雷射钻孔过孔，接着可能是以电沈积铜走线、第3层填充树脂，最后连接第2层结构。

图6：TDK T2541蓝牙模组横截面

讨论封装技术时当然也不容错过2.5D 与矽穿孔（TSV）封装整合，例如AMD的Fury X绘图卡。图7显示在其2.5D整合方案中的GPU覆晶封装至晶片中介层，周围并围绕4个海力士（Hynix）高频宽记忆体（HBM） DRAM模组。该HBM模组利用中介层表面顶部形成的铜互连以电连接至GPU。

图7：AMD Fury X GPU

图8是AMD Fury X GPU的封装横截面图，显示连接至矽中介层与底层FR4基板的Hynix HBM模组部份。AMD GPU也以覆晶封装至相同的中介层，但连接至HBM右侧（超出此图范围之外）。矽中介层连同4个HBM模组与GPU依次嵌入于FR4基板上。

图8：AMD Fury X封装横截面

图9可以看到用于连接HBM模组至FR4基板与GPU的铜走线，这些都是使用传统65nm双金属镶嵌制程形成的。我们还可以看到用于连接中介层至FR4基板的铜填充TSV。

图9：矽中介层与铜互连

本文简要地介绍了三种主要的封装整合方案：多晶片模组（MCM）、嵌入式元件封装（ECP）以及 2.5D的TSV封装。这些方案都是针对需要提高封装整合度的理想解决方案。

新兴封装技术的出现，主要的驱动力量就来自于永无止境地追求更轻薄短小的智慧型手机。如今，业界盛传Apple将为即将推出的iPhone 7取消耳机孔，目的就是为了打造更纤薄的手机。然而我们并不确定元件制造商将会采用哪一种封装技术来搭配。iPhone 7预计要到今年九月才会发布，这漫长的等待时间怎不教人心急？