從技術特點上看,晶圓級封裝主要分為扇入型(Fan-in)和扇出型(Fan-out)兩種。傳統的WLP封裝多采Fan-in型態,應用於引腳數量較少的IC。但伴隨IC訊號輸出引腳數目增加,對焊球間距(Ball Pitch)的要求趨於嚴格,加上印刷電路板(PCB)構裝對於IC封裝後尺寸以及訊號輸出引腳位置的調整需求,扇出型封裝方式應運而生。扇出型封裝採取拉線出來的方式,可以讓多種不同裸晶,做成像WLP工藝一般埋進去,等於減一層封裝,假設放置多顆裸晶,等於省了多層封裝,從而降低了封裝尺寸和成本。各家廠商的扇出型封裝技術各有差異,在本文以臺積電的整合扇出型晶圓級封裝(integrated fan out WLP,以下簡稱InFO)進行詳細介紹。
臺灣工研院產科國際所預估,未來5G高頻通訊晶片封裝可望朝向AiP技術和扇出型封裝技術發展。法人預期臺積電、日月光和力成等可望切入相關封裝領域。
展望未來5G時代無線通訊規格,工研院產業科技國際策略發展所產業分析師楊啟鑫表示,可能分為頻率低於1GHz、主要應用在物聯網領域的5G IoT;以及4G演變而來的Sub-6GHz頻段,還有5G高頻毫米波頻段。
觀察5G晶片封裝技術,楊啟鑫預期,5G IoT和5GSub-6GHz的封裝方式,大致會維持3G和4G時代結構模組,也就是分為天線、射頻前端、收發器和資料機等四個主要的系統級封裝(SiP)和模組。
至於更高頻段的5G毫米波,需要將天線、射頻前端和收發器整合成單一系統級封裝。
AiP將成主流
在天線部分,楊啟鑫指出,因為頻段越高頻、天線越小,預期5G時代天線將以AiP(Antenna in Package)技術與其他零件共同整合到單一封裝內。
所謂AiP,就是片上天線,其實本身的原理並不十分複雜,和傳統的微帶天線相比,主要區別是把介質基板換成了晶片上面的封裝。AiP最近兩年其實發展比較快,這和毫米波的發展是離不開的。
簡單來理解,AiP將天線整合到晶片中,其優點在於可以簡化系統設計,有利於小型化、低成本。但是瞭解電磁場理論的朋友都知道,諧振型天線的輻射效率與其電尺寸密切相關,天線最大增益更是受到物理口徑的嚴格限制。傳統的民用通訊頻率多工作在10GHz以下。以民用最廣的2.4GHz為例(Wifi,藍芽等),其空氣中半波長約為6cm。為使天線達到可以實用的效率,需要大大增加原有晶片封裝的長寬高。這樣對小型化和低成本都很難有貢獻,反而是更大的副作用。
隨著無線通訊的發展,10GHz以下頻譜消耗殆盡,民用通訊終於在近幾年轉移向資源更廣闊的毫米波段。 顧名思義,毫米波段波長在1-10mm這個量級。片上天線的尺寸可以小於一般的晶片封裝。這就為AiP的實用帶來了新的機遇。
以60GHz為例,片上天線單元僅為1-2mm(考慮到封裝具有一定的介電常數),因此晶片封裝不但可以放得下一個單元,而是可以放得下小型的收發陣列。去年Google推出的黑科技Project Soli 就是這樣的一個片上系統(如下圖,四個方片狀的金屬片就是AiP)。 該晶片及套件今年即將上市。
另外,現在火熱的77GHz車載雷達,也有供應商提供了AiP的片上系統,並即將量產。當然,這樣的雷達功能也相對較弱,但是在低成本、小型化方面卻取得了優勢。
Fan-out已經火熱
除了用載板進行多晶片系統級封裝外,楊啟鑫表示,扇出型封裝(Fan-out)因可整合多晶片、且效能比以載板基礎的系統級封裝要佳,備受市場期待。我們來看一下Fan-Out的發展。
在2009-2010年期間,扇出型晶圓級封裝(Fan-Out Wafer Level Packaging, FOWLP)開始商業化量產,初期主要由英特爾移動(Intel Mobile)推動。但是,扇出型晶圓級封裝被限制於一個狹窄的應用範圍:手機基帶晶片的單晶片封裝,並於2011年達到市場極限。2012年,大型無線/移動Fabless廠商開始進行技術評估和匯入,並逐步實現批次生產。
2013-2014年,扇出型晶圓級封裝面臨來自其它封裝技術的激烈競爭,如晶圓級晶片尺寸封裝(WLCSP)。英特爾移動放棄了該項技術,2014年主要製造商也降低了封裝價格,由此市場進入低增長率的過渡階段。
2016年,TSMC在扇出型晶圓級封裝領域開發了整合扇出型(Integrated Fan-Out, InFO)封裝技術用於蘋果iPhone 7系列手機的A10應用處理器。蘋果和TSMC強強聯手,將發展多年的扇出型封裝技術帶入了量產,其示範作用不可小覷,扇出型封裝行業的“春天”終於到來!
扇出型封裝技術的發展歷史
從技術特點上看,晶圓級封裝主要分為扇入型(Fan-in)和扇出型(Fan-out)兩種。傳統的WLP封裝多采Fan-in型態,應用於引腳數量較少的IC。但伴隨IC訊號輸出引腳數目增加,對焊球間距(Ball Pitch)的要求趨於嚴格,加上印刷電路板(PCB)構裝對於IC封裝後尺寸以及訊號輸出引腳位置的調整需求,扇出型封裝方式應運而生。扇出型封裝採取拉線出來的方式,可以讓多種不同裸晶,做成像WLP工藝一般埋進去,等於減一層封裝,假設放置多顆裸晶,等於省了多層封裝,從而降低了封裝尺寸和成本。各家廠商的扇出型封裝技術各有差異,在本文以臺積電的整合扇出型晶圓級封裝(integrated fan out WLP,以下簡稱InFO)進行詳細介紹。
臺積電在2014年宣傳InFO技術進入量產準備時,稱重佈線層(RDL)間距(pitch)更小(如10微米),且封裝體厚度更薄。
InFO給予了多個晶片整合封裝的空間,比如:8mm x 8mm平臺可用於射頻和無線晶片的封裝,15mm x 15mm可用於應用處理器和基帶晶片封裝,而更大尺寸如25mm x 25mm用於圖形處理器和網路等應用的晶片封裝。
相比倒裝晶片球柵格陣列(FC-BGA)封裝,InFO優勢非常明顯。對於無源器件如電感、電容等,InFO技術在塑封成型時襯底損耗更低,電氣效能更優秀,外形尺寸更小,帶來的好處則是熱效能更佳,在相同的功率分配下工作溫度更低,或者說相同的溫度分佈時InFO的電路執行速度更快。
在InFO技術中,銅互連形成在鋁PAD上,應用於扇出型區域以製造出高效能的無源器件如電感和電容。與直接封裝在襯底的片式(on-chip)電感器相比,厚銅線路的寄生電阻更小,襯底與塑封料間的電容更小,襯底損耗更少。以3.3nH的電感為例,65nm的CMOS採用on-chip封裝方式其品質因子Q為12,而InFO封裝則可達到高峰值42。電感與塑封料越接近,損耗因子越小,Q值越高。當然,如果電感直接與塑封料接觸,效能最佳。
從廠商來看,法人預估臺積電和中國大陸江蘇長電科技積極佈局,此外日月光和力成也深耕面板級扇出型封裝,未來有機會匯入5G射頻前端晶片整合封裝。
資策會產業情報研究所(MIC)日前表示,5G是明年通訊產業亮點之一,估5G智慧手機最快明年初亮相,2021年起顯著成長。