5G时代芯片封装技术竞争激烈,扇出型封装技术的春天终于到来

标签:5G封装InFO
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台湾工研院产科国际所预估,未来5G高频通讯芯片封装可望朝向AiP技术和扇出型封装技术发展。法人预期台积电、日月光和力成等可望切入相关封装领域。

展望未来5G时代无线通讯规格,工研院产业科技国际策略发展所产业分析师杨启鑫表示,可能分为频率低于1GHz、主要应用在物联网领域的5G IoT;以及4G演变而来的Sub-6GHz频段,还有5G高频毫米波频段。

观察5G芯片封装技术,杨启鑫预期,5G IoT和5GSub-6GHz的封装方式,大致会维持3G和4G时代结构模组,也就是分为天线、射频前端、收发器和数据机等四个主要的系统级封装(SiP)和模组。

至于更高频段的5G毫米波,需要将天线、射频前端和收发器整合成单一系统级封装。

AiP将成主流

在天线部分,杨启鑫指出,因为频段越高频、天线越小,预期5G时代天线将以AiP(Antenna in Package)技术与其他零件共同整合到单一封装内。

所谓AiP,就是片上天线,其实本身的原理并不十分复杂,和传统的微带天线相比,主要区别是把介质基板换成了芯片上面的封装。AiP最近两年其实发展比较快,这和毫米波的发展是离不开的。

简单来理解,AiP将天线集成到芯片中,其优点在于可以简化系统设计,有利于小型化、低成本。但是了解电磁场理论的朋友都知道,谐振型天线的辐射效率与其电尺寸密切相关,天线最大增益更是受到物理口径的严格限制。传统的民用通信频率多工作在10GHz以下。以民用最广的2.4GHz为例(Wifi,蓝牙等),其空气中半波长约为6cm。为使天线达到可以实用的效率,需要大大增加原有芯片封装的长宽高。这样对小型化和低成本都很难有贡献,反而是更大的副作用。

随着无线通信的发展,10GHz以下频谱消耗殆尽,民用通信终于在近几年转移向资源更广阔的毫米波段。 顾名思义,毫米波段波长在1-10mm这个量级。片上天线的尺寸可以小于一般的芯片封装。这就为AiP的实用带来了新的机遇。

以60GHz为例,片上天线单元仅为1-2mm(考虑到封装具有一定的介电常数),因此芯片封装不但可以放得下一个单元,而是可以放得下小型的收发阵列。去年Google推出的黑科技Project Soli 就是这样的一个片上系统(如下图,四个方片状的金属片就是AiP)。 该芯片及套件今年即将上市。

另外,现在火热的77GHz车载雷达,也有供应商提供了AiP的片上系统,并即将量产。当然,这样的雷达功能也相对较弱,但是在低成本、小型化方面却取得了优势。

Fan-out已经火热

除了用载板进行多芯片系统级封装外,杨启鑫表示,扇出型封装(Fan-out)因可整合多芯片、且效能比以载板基础的系统级封装要佳,备受市场期待。我们来看一下Fan-Out的发展。

在2009-2010年期间,扇出型晶圆级封装(Fan-Out Wafer Level Packaging, FOWLP)开始商业化量产,初期主要由英特尔移动(Intel Mobile)推动。但是,扇出型晶圆级封装被限制于一个狭窄的应用范围:手机基带芯片的单芯片封装,并于2011年达到市场极限。2012年,大型无线/移动Fabless厂商开始进行技术评估和导入,并逐步实现批量生产。

2013-2014年,扇出型晶圆级封装面临来自其它封装技术的激烈竞争,如晶圆级芯片尺寸封装(WLCSP)。英特尔移动放弃了该项技术,2014年主要制造商也降低了封装价格,由此市场进入低增长率的过渡阶段。

2016年,TSMC在扇出型晶圆级封装领域开发了集成扇出型(Integrated Fan-Out, InFO)封装技术用于苹果iPhone 7系列手机的A10应用处理器。苹果和TSMC强强联手,将发展多年的扇出型封装技术带入了量产,其示范作用不可小觑,扇出型封装行业的“春天”终于到来!

扇出型封装技术的发展历史

从技术特点上看,晶圆级封装主要分为扇入型(Fan-in)和扇出型(Fan-out)两种。传统的WLP封装多采Fan-in型态,应用于引脚数量较少的IC。但伴随IC信号输出引脚数目增加,对焊球间距(Ball Pitch)的要求趋于严格,加上印刷电路板(PCB)构装对于IC封装后尺寸以及信号输出引脚位置的调整需求,扇出型封装方式应运而生。扇出型封装采取拉线出来的方式,可以让多种不同裸晶,做成像WLP工艺一般埋进去,等于减一层封装,假设放置多颗裸晶,等于省了多层封装,从而降低了封装尺寸和成本。各家厂商的扇出型封装技术各有差异,在本文以台积电的集成扇出型晶圆级封装(integrated fan out WLP,以下简称InFO)进行详细介绍。

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。

相比倒装芯片球栅格阵列(FC-BGA)封装,InFO优势非常明显。对于无源器件如电感、电容等,InFO技术在塑封成型时衬底损耗更低,电气性能更优秀,外形尺寸更小,带来的好处则是热性能更佳,在相同的功率分配下工作温度更低,或者说相同的温度分布时InFO的电路运行速度更快。

在InFO技术中,铜互连形成在铝PAD上,应用于扇出型区域以制造出高性能的无源器件如电感和电容。与直接封装在衬底的片式(on-chip)电感器相比,厚铜线路的寄生电阻更小,衬底与塑封料间的电容更小,衬底损耗更少。以3.3nH的电感为例,65nm的CMOS采用on-chip封装方式其品质因子Q为12,而InFO封装则可达到高峰值42。电感与塑封料越接近,损耗因子越小,Q值越高。当然,如果电感直接与塑封料接触,性能最佳。

从厂商来看,法人预估台积电和中国大陆江苏长电科技积极布局,此外日月光和力成也深 耕面板级扇出型封装,未来有机会导入5G射频前端芯片整合封装。

资策会产业情报研究所(MIC)日前表示,5G是明年通讯产业亮点之一,估5G智慧手机最快明年初亮相,2021年起显著成长。

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