一文读懂集成扇出型封装(InFO)技术

发布时间:2017-08-16 00:00
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来源:半导体行业观察
阅读量:313

集成扇出型封装(InFO)技术是什么?作为目前移动市场最受欢迎的技术,为什么目前只有两家公司能够生产,其中的难点是什么?

晶圆代工大厂格芯于2017年8月 15 日宣布,采用高效能 14 纳米 FinFET 制程技术的 FX-14 特定应用积体电路(ASIC)整合设计系统,已通过 2.5D 封装技术解决方案的矽功能验证。

目前,全由晶圆代工大厂中,仅台积电拥有集成扇出型封装(InFO)技术,速度效能较传统的覆晶技术要高 10%,让台积电在市场竞争上具备竞争实力。如今,格芯也成功进入先进晶圆封装的领域,成为全球唯二拥有这类技术的厂商,将进一步增加市场的竞争优势。

集成扇出型封装(InFO)技术是什么

说到InFO技术,就不得不提到FOWLP。

Fan Out WLP的英文全称为(Fan-Out Wafer Level Packaging;FOWLP),中文全称为(扇出型晶圆级封装),其采取拉线出来的方式,成本相对便宜;FOWLP可以让多种不同裸晶,做成像WLP制程一般埋进去,等于减一层封装,假设放置多颗裸晶,等于省了多层封装,有助于降低客户成本。此时唯一会影响IC成本的因素则为裸晶大小。

DIGITIMES Research观察,系统级封装(System in Package;SiP)结合内嵌式(Embedded)印刷电路板(Printed Circuit Board;PCB)技术虽符合移动设备小型化需求,然于供应链与成本存在问题,另一方面,扇出型晶圆级封装不仅设计难度低于矽穿孔(Through Silicon Via;TSV) 3D IC,且接近2.5D IC概念与相对有助降低成本。

FOWLP封装最早在2009~2010年由Intel提出,仅用于手机基带芯片封装。

2013年起,全球各主要封测厂积极扩充FOWLP产能,主要是为了满足中低价智慧型手机市场,对于成本的严苛要求。FOWLP由于不须使用载板材料,因此可节省近30%封装成本,且封装厚度也更加轻薄,有助于提升晶片商产品竞争力。

台积电(TSMC)在扇出型晶圆级封装领域投入并开发了集成扇出型(Integrated Fan-Out, InFO)封装技术,改变了晶圆级封装的市场格局。随着InFO技术的大规模应用,以及嵌入式晶圆级球栅阵列(eWLB)技术的进一步发展,一批新厂商和扇出型晶圆级封装技术可能将进入市场。台积电的扇出型晶圆级封装解决方案被称为InFO,已用于苹果iPhone 7系列手机的A10应用处理器封装,其量产始于2016年。

台积电在2014年宣传InFO技术进入量产准备时,称重布线层(RDL)间距(pitch)更小(如10微米),且封装体厚度更薄。

InFO给予了多个芯片集成封装的空间,比如:8mm x 8mm平台可用于射频和无线芯片的封装,15mm x 15mm可用于应用处理器和基带芯片封装,而更大尺寸如25mm x 25mm用于图形处理器和网络等应用的芯片封装。



2016年可以说是扇出型封装市场的转折点,苹果和台积电的加入改变了该技术的应用状况,可能将使市场开始逐渐接受扇出型封装技术。扇出型封装市场将分化发展成两种类型:

 - 扇出型封装“核心”市场,包括基带、电源管理及射频收发器等单芯片应用。该市场是扇出型晶圆级封装解决方案的主要应用领域,并将保持稳定的增长趋势。

- 扇出型封装“高密度”市场,始于苹果公司APE,包括处理器、存储器等输入输出数据量更大的应用。该市场具有较大的不确定性,需要新的集成解决方案和高性能扇出型封装解决方案。但是,该市场具有很大的市场潜力。

扇出型封装的挑战

虽然FOWLP可满足更多I/O数量之需求。然而,如果要大量应用FOWLP技术,首先必须克服以下之各种挑战问题:

(1) 焊接点的热机械行为: 因FOWLP的结构与BGA构装相似,所以FOWLP焊接点的热机械行为与BGA构装相同,FOWLP中焊球的关键位置在硅晶片面积的下方,其最大热膨胀系数不匹配点会发生在硅晶片与PCB之间。

(2) 晶片位置之精确度: 在重新建构晶圆时,必须要维持晶片从持取及放置(Pick and Place)于载具上的位置不发生偏移,甚至在铸模作业时,也不可发生偏移。因为介电层开口,导线重新分布层(Redistribution Layer; RDL)与焊锡开口(Solder Opening)制作,皆使用黄光微影技术,光罩对準晶圆及曝光都是一次性,所以对于晶片位置之精确度要求非常高。

(3) 晶圆的翘曲行为: 人工重新建构晶圆的翘曲(Warpage)行为,也是一项重大挑战,因为重新建构晶圆含有塑胶、硅及金属材料,其硅与胶体之比例在X、Y、Z三方向不同,铸模在加热及冷却时之热涨冷缩会影响晶圆的翘曲行为。

(4) 胶体的剥落现象: 在常压时被胶体及其他聚合物所吸收的水份,在经过220~260℃迴焊(Reflow)时,水份会瞬间气化,进而产生高的内部蒸气压,如果胶体组成不良,则易有胶体剥落之现象产生。

此外,市场的发展也给FOWLP封装技术带来了一定的挑战。

根据麦姆斯咨询的一份报告显示。尽管扇入型封装技术的增长步伐到目前为止还很稳定,但是全球半导体市场的转变,以及未来应用不确定性因素的增长,将不可避免的影响扇入型封装技术的未来前景。

随着智能手机出货量增长从 2013 年的 35% 下降至 2016 年的8%,预计到 2020 年这一数字将进一步下降至 6%,智能手机市场引领的扇入型封装技术应用正日趋饱和。尽管预期的高增长并不乐观,但是智能手机仍是半导体产业发展的主要驱动力,预计 2020 年智能手机的出货量将达 20 亿部。

扇出型封装有哪些公司

除了台积电之外,STATS ChipPAC(新加坡星科金朋)将利用JCET(江苏长电科技)的支持进一步投入扇出型封装技术的开发(2015年初,江苏长电科技以7.8亿美元收购了新加坡星科金朋);ASE(日月光集团)则和Deca Technologies建立了深入的合作关系(2016年5月,Deca Technologies获日月光集团6000万美元投资,日月光集团则获得Deca Technologies的M系列扇出型晶圆级封装技术及工艺授权);Amkor(安靠科技)、 SPIL(矽品科技)及Powertech(力成科技)正瞄准未来的量产而处于扇出型封装技术的开发阶段。三星看上去似乎有些落后,它正在抉择如何参与竞争。

TechSearch International总裁Jan Vardaman指出,在iPhone 7内部,主要的印刷电路板(PCB)上包含了43种其他晶圆级(wafer-level)封装,照明电缆和耳机上亦有采用此技术。

联发科和海思的应用处理器(AP)也将跟进采用先进的封装方式,其他业者如大陆手机厂Oppo和Vivo也已经采用其他更新颖的技术。新的封装技术如雨后春笋般出现,重点均在于多元异质模组整合(heterogeneous integration),因为主机板空间越来越壅挤,芯片封装必须设法缩小尺寸。

在琳琅满目的新技术中,扇出型晶圆级封装(fan-out wafer-level packaging;FOWLP)运作了近10年之后,现在已成为移动市场的首选。第一代扇出型封装是采用英飞凌(Infineon)的嵌入式晶圆级球闸阵列(eWLB)技术,此为2009年由飞思卡尔(Freescale,现为恩智浦)所推出。

但是集成扇出型封装(InFO)在此之前就只有台积电能够生产!

集成扇出型封装垄断局面已改变

但是这种情况现在已经改变。

根据格芯表示,采用高效能 14 纳米 FinFET 制程技术的 FX-14 特定应用积体电路(ASIC)整合设计系统解决方案包含一个缝合载板中介层,用以克服微影技术的限制,以及一个和 Rambus 研发的多通道 HBM2 PHY,每秒可处理 2Tbps。本解决方案以 14 纳米 FinFET  技术展示,将整合至格罗方德新一代 7 纳米 FinFET 制程技术的 FX-7 ASIC 设计系统。

格罗方德的产品开发副总 Kevin O’Buckley 表示,随着近年来互连与封装技术出现大幅进展,晶圆制程与封装技术间的界线已趋模糊。将 2.5D 封装技术整合至 ASIC 设计中,能带来突破性的效能提升,这也再次展现格罗方德的技术能力。这项进展让我们能从产品设计开始一路到制造与测试,以一站式、端对端的形式支持客户。

而 Rambus 存储器 PHY 目标为在低延迟与高频宽要求的系统中,处理高端网络及数据中心的高密集运算。PHY 符合 JEDEC (固态技术协会)JESD235 标准,支持的数据传输率高达 2Gbps,整体频宽可达 2Tbps。Rambus 存储器及界面部门资深副总暨总经理 Luc Seraphin 指出,与格罗方德合作,结合 HBM2 PHY,以及格罗方德的 2.5D 封装技术及 FX-14 ASIC 设计系统,为产业发展快速的各种应用提供彻底整合的解决方案。

格罗方德指出,未来将充分利用在 FinFET 制成技术的量产经验,让 FX-14 及 FX-7 成为完整的 ASIC  设计解决方案。FX-14 及 FX-7 的功能化模组以业内最广、最深的知识产权(IP)组合为基础,得以为新一代有线通讯/5G 无线联网、云端/数据中心服务器、机器学习/深度神经网络、汽车、太空/国防等应用,提供独特的解决方案。

先进封装行业成创新引擎

在过去的几年里,先进封装行业已经吸引了越来越多的关注。封装业从IC制造商的服务行业转变为为“超越摩尔”定律的创新引擎和关键领域,促使半导体行业的进一步发展并增加了创新应用的附加值。据Yole报告显示,先进封装行业市场规模在2016年为220亿美元,到2020年将增长到约300亿美元。



麦肯锡指出,摩尔定律时代下封装行业的特点:重人力成本、轻资本与技术 。这一阶段也可以称之为摩尔定律下的传统封装。

在摩尔定律驱动半导体产业发展的时代,半导体产业链“设计—制造—封测”的核心主要集中在设计和制造环节,三大产业中,设计对技术积累与人才要求最高;而制造对资本投入有大量的要求,呈现强者恒强的局面; 唯有封装产业对资本与人才要求相对较低,而对人工成本相对敏感。

而“超越摩尔”时代下的封装行业则有所不同:从人力成本驱动走向技术与资本双轮驱动,龙头厂商将会深度受益。

更为明显的是,“超越摩尔”时代,封装行业地位将会显著提升,先进封装成为延续摩尔定律的关键。

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