半導體產業持續整合電子元件於更小封裝的創新能力,不斷締造出令人讚歎的成果。我很早就是一個業餘的愛好者,曾經將封裝於T-05金屬罐的電晶體佈線開發板上。這些分離式的電晶體後來已經被早期「電晶體—電晶體邏輯電路」(TTL)晶片中所用的8接腳DiP封裝取代了。

一眨眼幾十年過去了,封裝整合技術的進展令人印象深刻。例如,圖1顯示從蘋果(Apple) iPhone 5s智慧型手機拆解而來的村田(Murata)天線開關。其封裝尺寸為3.7mm x 6.0mm,內含6個SAW濾波器、Peregrine天線開關、功率放大器,以及一系列分離式電晶體與電容器的組合。

這些元件都安裝在類似FR4的電路板上,然後用模塑材料封裝起來,形成完整的多晶片模組(MCM)。

20160510 TechInsights NT31P1 圖1:Murata的天線開關模組(封裝模塑材料已移除)

但這並不是元件整合於封裝中的唯一方式。從幾年前開始,我們看到嵌入式電容器層疊封裝(PoP)於應用處理器中。這種嵌入式元件封裝(ECP)技術還只是先進系統級封裝(SiP)解決方案使用的幾種競爭策略之一。

圖2是Apple協同封裝A9處理器和記憶體(PoP)的照片,右側X光影像圖則顯示封裝基板上的嵌入式電容器。左圖上方可看到APL1022的封裝標識,顯示這款晶片是台積電(TSMC)製造的A9處理器。當然,大家都知道三星(Samsung)也為Apple供應另一款A9晶片。

20160510 TechInsights NT31P2 圖2:Apple以PoP封裝的處理器與記憶體(左)與X-ray封裝圖(右)

圖3是Apple A9基板其中一款嵌入式電容器的掃描式電子顯微鏡(SEM)橫截面圖。該基板包含底層、中間層與頂層。我們猜測中間層經過衝壓過程,從而為電容器形成腔室。

底層與頂層是以交錯金屬走線和電介質的方式層層堆壘起來。連接至電容器的觸點可能被製造為1st與2nd銅走線形成的一部份,並以雷射鑽孔方式穿過樹脂封裝的電容器進行過孔。填充這些過孔成為銅金屬化的一部份。

在FR4基板嵌入電容器,並緊靠著A9處理器排放,這麼做的目的可能是為了減少A9密集開關電晶體而產生的電雜訊。

20160510 TechInsights NT31P3 圖3:Apple A9晶片封裝橫截面

TDK將晶片嵌入於其藍牙模組基板中,使得元件嵌入過程則更進一步進展。該晶片位於圖4嵌入FR4基板的32KHz晶體振盪器之下,因此無法直接看到,但可透過圖5的封裝圖看到。

20160510 TechInsights NT31P4 圖4:TDK藍牙模組

圖5是TDK封裝基板的SEM橫截面圖,顯示嵌入式藍牙晶片的一部份以及連接至FR4頂層銅走線的銅帶。圖片左側的大型過孔表示採用2階段蝕刻進行過孔,例如採用雷射鑽孔。第一次雷射鑽孔在晶片上形成過孔開口,以暴露其焊墊,並打開FR4層過孔較寬的上層部份。第二次雷射鑽孔步驟則完成深層的過孔開口,以接觸至FR4層上的銅走線。

20160510 TechInsights NT31P5 圖5:TDK藍牙模組橫截面

至於製造模組的順序,圖6提供了更多的線索。從圖中可看到在晶片與第一層FR4之間沿著第一層填充樹脂表面的細縫。在晶片下方未另外連接晶片附加層,顯示該晶片在樹脂仍是液體形式時即已固定至玻璃填充樹脂。

我們猜測其步驟是先凝固第1層樹脂,接著沈積封裝晶片的第2層玻璃填充樹脂。此時進行上述的雷射鑽孔過孔,接著可能是以電沈積銅走線、第3層填充樹脂,最後連接第2層結構。

20160510 TechInsights NT31P6 圖6:TDK T2541藍牙模組橫截面

討論封裝技術時當然也不容錯過2.5D 與矽穿孔(TSV)封裝整合,例如AMD的Fury X繪圖卡。圖7顯示在其2.5D整合方案中的GPU覆晶封裝至晶片中介層,周圍並圍繞4個海力士(Hynix)高頻寬記憶體(HBM) DRAM模組。該HBM模組利用中介層表面頂部形成的銅互連以電連接至GPU。

20160510 TechInsights NT31P7 圖7:AMD Fury X GPU

圖8是AMD Fury X GPU的封裝橫截面圖,顯示連接至矽中介層與底層FR4基板的Hynix HBM模組部份。AMD GPU也以覆晶封裝至相同的中介層,但連接至HBM右側(超出此圖範圍之外)。矽中介層連同4個HBM模組與GPU依次嵌入於FR4基板上。

20160510 TechInsights NT31P8 圖8:AMD Fury X封裝橫截面

圖9可以看到用於連接HBM模組至FR4基板與GPU的銅走線,這些都是使用傳統65nm雙金屬鑲嵌製程形成的。我們還可以看到用於連接中介層至FR4基板的銅填充TSV。

20160510 TechInsights NT31P9 圖9:矽中介層與銅互連

本文簡要地介紹了三種主要的封裝整合方案:多晶片模組(MCM)、嵌入式元件封裝(ECP)以及 2.5D的TSV封裝。這些方案都是針對需要提高封裝整合度的理想解決方案。

新興封裝技術的出現,主要的驅動力量就來自於永無止境地追求更輕薄短小的智慧型手機。如今,業界盛傳Apple將為即將推出的iPhone 7取消耳機孔,目的就是為了打造更纖薄的手機。然而我們並不確定元件製造商將會採用哪一種封裝技術來搭配。iPhone 7預計要到今年九月才會發佈,這漫長的等待時間怎不教人心急?

編譯:Susan Hong

(參考原文:Emerging Packaging Tech—The Relentless Pursuit of Small,by Kevin Gibb)