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封装技术在追求小型化的路上越走越远

上网日期: 2016年05月11日 ?? 作者: Kevin Gibb ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:芯片封装技术? 小型化封装? 处理器封装?

半导体产业持续整合电子组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金属罐的晶体管布线开发板上。这些分离式的晶体管后来已经被早期“晶体管—晶体管逻辑电路”(TTL)芯片中所用的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智能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,以及一系列分离式晶体管与电容器的组合。

这些组件都安装在类似FR4的电路板上,然后用模塑材料封装起来,形成完整的多芯片模块(MCM)。

图1:Murata的天线开关模块(封装模塑材料已移除)《电子工程专辑》
图1:Murata的天线开关模块(封装模塑材料已移除)

但这并不是组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迭封装(PoP)于应用处理器中。这种嵌入式组件封装(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处理器和内存(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,显示这款芯片是台积电(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芯片。

图2:Apple以PoP封装的处理器与内存(左)与X-ray封装图(右)《电子工程专辑》
图2:Apple以PoP封装的处理器与内存(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密集开关晶体管而产生的电噪声。

图3:Apple A9芯片封装横截面《电子工程专辑》
图3:Apple A9芯片封装横截面

TDK将芯片嵌入于其蓝牙模块基板中,使得组件嵌入过程则更进一步进展。该芯片位于图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蓝牙模块《电子工程专辑》
图4:TDK蓝牙模块

图5是TDK封装基板的SEM横截面图,显示嵌入式蓝牙芯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。第一次雷射钻孔在芯片上形成过孔开口,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蓝牙模块横截面《电子工程专辑》
图5:TDK蓝牙模块横截面

至于制造模块的顺序,图6提供了更多的线索。从图中可看到在芯片与第一层FR4之间沿着第一层填充树脂表面的细缝。在芯片下方未另外连接芯片附加层,显示该芯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,接着沉积封装芯片的第2层玻璃填充树脂。此时进行上述的雷射钻孔过孔,接着可能是以电沉积铜走线、第3层填充树脂,最后连接第2层结构。

图6:TDK T2541蓝牙模块横截面《电子工程专辑》
图6:TDK T2541蓝牙模块横截面

讨论封装技术时当然也不容错过2.5D 与硅穿孔(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覆晶封装至芯片中介层,周围并围绕4个海力士(Hynix)高带宽内存(HBM) DRAM模块。该HBM模块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《电子工程专辑》
图7:AMD Fury X GPU

图8是AMD Fury X GPU的封装横截面图,显示连接至硅中介层与底层FR4基板的Hynix HBM模块部份。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)。硅中介层连同4个HBM模块与GPU依次嵌入于FR4基板上。

图8:AMD Fury X封装横截面《电子工程专辑》
图8:AMD Fury X封装横截面

图9可以看到用于连接HBM模块至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:硅中介层与铜互连《电子工程专辑》
图9:硅中介层与铜互连

本文简要地介绍了三种主要的封装整合方案:多芯片模块(MCM)、嵌入式组件封装(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能手机。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。然而我们并不确定组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?

编译:Susan Hong

本文授权编译自EE Times,版权所有,谢绝转载

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