封裝和設(shè)計(jì)要緊密協(xié)同，“適合“就是最好的封裝

“2020 世界半導(dǎo)體大會(huì)（World Semiconductor Conference 2020）于8月底在南京召開。會(huì)議期間，長電科技集團(tuán)技術(shù)市場副總裁包旭升做了《微系統(tǒng)集成封裝開拓差異化技術(shù)創(chuàng)新新領(lǐng)域》的主題報(bào)告，并在會(huì)后接受了電子產(chǎn)品世界等媒體的采訪，一同就封裝業(yè)的現(xiàn)狀及走勢進(jìn)行了探討，內(nèi)容涵蓋了封裝與設(shè)計(jì)需緊密合作，封裝沒有高端、低端之分，封裝的技術(shù)驅(qū)動(dòng)因素，晶圓廠和封裝廠在封裝方面的各自優(yōu)勢分析，長電科技目前重點(diǎn)發(fā)展的封裝方向等諸多話題。

1   封裝與設(shè)計(jì)需緊密合作

芯片的集成度越來越高，得益于設(shè)計(jì)和封裝的進(jìn)步。過去人們對封裝關(guān)注度不夠，提到半導(dǎo)體更多的是設(shè)計(jì)或晶圓制造。但在今天，大家意識到封裝的重要性，例如中國大陸的前3家封裝廠商都有不錯(cuò)的積累，已進(jìn)入全球前10。正如在一家公司中，很難評判技術(shù)、財(cái)務(wù)或運(yùn)營哪一部分更重要，因?yàn)閷?shí)際上每個(gè)環(huán)節(jié)對產(chǎn)品都很重要。

 因此，今天在規(guī)劃芯片項(xiàng)目時(shí)，必須要從開始布局功能模塊的時(shí)候就跟晶圓廠、封裝廠甚至系統(tǒng)廠一起進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)仿真。例如長電科技的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)階段就會(huì)與客戶充分溝通，后續(xù)還會(huì)繼續(xù)在設(shè)計(jì)仿真方面加大投入力度，這樣在客戶的設(shè)計(jì)發(fā)布時(shí)，長電科技就可把相應(yīng)的封裝做好。

以封裝射頻集成技術(shù)為例，需要客戶事先告知射頻產(chǎn)品的性能、芯片的布局以及技術(shù)需求，之后長電科技會(huì)根據(jù)工藝能力將元件合理擺放，如有干擾會(huì)加做電磁屏蔽，并告訴客戶電磁屏蔽的性能以及內(nèi)部材料的相關(guān)情況。

可見，芯片制造和封裝是全產(chǎn)業(yè)鏈融合的技術(shù)，與20年前各個(gè)階段互不溝通的情況完全不同。

江蘇長電科技股份有限公司

2   封裝：沒有高端、低端之分

哪種封裝以后會(huì)成為主流的封裝？業(yè)內(nèi)通常將某些技術(shù)稱為高端封裝，有的稱為低端封裝，這種分法是否合理？

實(shí)際上，可以把封裝的各種類型想像成工具箱中不同的工具，在不同的應(yīng)用中使用不同的工具。從這個(gè)角度看，封裝就沒有“高端”或“低端”的區(qū)別了。

封裝的根本是互聯(lián)方式（如WB/打線，F(xiàn)C/倒裝，RDL/重布線，TSV/硅穿孔，DBI等）和基板 （金屬框架，陶瓷基板，有機(jī)基板，RDL stack/重布線堆疊，異構(gòu)基板，轉(zhuǎn)接基板等），芯片與器件的保護(hù)與散熱方式（塑封，空腔，F(xiàn)cBGA 和裸芯片/WLCSP等），以及不同引腳形式（Lead, Non-lead, BGA等）的結(jié)合。

先進(jìn)封裝主要涉及芯片厚度減小和尺寸增大，及其對封裝集成敏感度提高，基板線寬距和厚度的減小，互聯(lián)高度和中心距的減小，引腳中心距的減小，封裝體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度和集成度提高，以及最終封裝體的小型化（X/Y/Z方向）和功能的提升及可能的系統(tǒng)化程度提升。而先進(jìn)SiP（系統(tǒng)級封裝）是先進(jìn)封裝中帶有系統(tǒng)功能的多芯片與器件的一種封裝形式的總稱。與其相對應(yīng)的則是 SoC（即將系統(tǒng)設(shè)計(jì)集成于芯片上，然后采用相對SiP簡單的封裝形式）。

目前有2種SiP封裝類型是業(yè)界關(guān)注度較高的：

1) Chiplet （芯粒），特點(diǎn)是采用了 Chiplet 組件芯片。其更多見于 2.5D 高端 FcBGA 封裝以做高速運(yùn)算等應(yīng)用。這種封裝目前發(fā)展迅速很大，前兩大晶圓廠投入巨資在建工廠開發(fā)這種封裝，多用于數(shù)字芯片的集成。

2）FEM SiP（前端模塊系統(tǒng)級封裝）。模擬類芯片，諸如 RF，MEMS 等，多使用 SiP 封裝。在這個(gè)領(lǐng)域，OSAT（封測代工廠）布局了很多。

值得一提的是，盡管數(shù)字類芯片用到的 Chiplet SiP 和 RFFE（射頻前端）用到的 FEM SiP 目前在市場中很熱，但并不能代表這兩種封裝可以把業(yè)內(nèi)不同器件的技術(shù)難題全都解決。只能說這兩類 SiP 被更多地應(yīng)用和推動(dòng)了先進(jìn)封裝的技術(shù)。

以最近關(guān)注度較高的“充電樁”為例，只要用到電的地方就要用到功率器件，像 IGBT，用到的封裝就是TO。TO 是原來很早就出現(xiàn)的封裝技術(shù)，后來發(fā)展到管腳更多的 SOD、SOT，再后來發(fā)展到 SOP 封裝，還有再先進(jìn)的、腳數(shù)更多的 QFN。這幾種封裝已經(jīng)出來幾十年了，雖然人們對它們的關(guān)注度不高，但充電樁、手機(jī)里的快充以及第三代半導(dǎo)體（碳化硅、氮化鎵）芯片使用的封裝技術(shù)，既不是 Chiplet 也不是 FEM SiP，而是 TO, SOT, SOP, QFN 等基本技術(shù)，但在其基礎(chǔ)上完善與進(jìn)一步發(fā)展了，如 IPM （智能功率模塊）SiP。

長電科技現(xiàn)在還做 SOP 的研發(fā)，所要達(dá)到的目的是在相同的封裝結(jié)構(gòu)里使用不同的封裝材料。例如，在貼芯片的時(shí)候會(huì)給客戶提供不同的貼片材料以達(dá)到不同的性能散熱和可靠性等級，因?yàn)橐焉嶙龅礁鼧O致一些，功率和可靠性要做到更高一些，這些改變可以幫助性能得到提升。例如，功率器件里 50% 的性能要依靠封裝，所用的封裝就是 SOP。所以，只要市場應(yīng)用在高速發(fā)展，所需的封裝技術(shù)就會(huì)受到關(guān)注并快速發(fā)展。

可見，不論是 2.5D/3D 封裝，或者是 FEM SiP，還是用到第三代半導(dǎo)體的 TO, SOT, SOP，都會(huì)高速發(fā)展并受到關(guān)注。

3   封裝的技術(shù)驅(qū)動(dòng)因素

需求不會(huì)無緣無故出現(xiàn)。

3.1   對于SiP封裝，分為Chiplet和FEM SiP。

1)Chiplet。第一個(gè)驅(qū)動(dòng)因素是在數(shù)字類的 SiP 部分。因?yàn)槟柖赡壳白钚∫训搅?5 nm制程，正在開發(fā) 3 nm，還有人在討論 1 nm；但與此同時(shí)，制造成本在大幅度增加，并不是每家公司都能承擔(dān)起數(shù)億人民幣水平的芯片、流片。一種保險(xiǎn)的方式是把經(jīng)過驗(yàn)證的芯片做成標(biāo)準(zhǔn)化的芯片，再把擁有突出核心競爭力的芯片用新晶圓制程工藝去流片，之后再用 SiP 整合到一起，這樣就產(chǎn)生了對 Chiplet SiP 的需求。

2)FEM SiP。對于模擬端，5G 時(shí)代，5G 手機(jī)要向前兼容4G、3G，因此元件數(shù)量是翻倍的，但手機(jī)的尺寸不能太大。而且，5G 的功耗也較大，功耗高就要求電池容量更高，從 3800 mAh 做到 4000 mAh、4500 mAh。電池越來越大，也意味著留給芯片的空間就更有限，怎樣在更小的空間里集成更高、更多的元件？SiP是目前最有效的技術(shù)。

3.2   汽車電子領(lǐng)域的封裝變化

首先，汽車電子產(chǎn)品用到的封裝技術(shù)基本上全部都是已有的、量產(chǎn)的封裝技術(shù)。因?yàn)槠囯娮訉煽啃缘囊蠛芨撸杂玫降姆庋b技術(shù)必須是量產(chǎn)的，且是在消費(fèi)類、計(jì)算類等產(chǎn)品中經(jīng)過驗(yàn)證的，才會(huì)拿來用到汽車電子中。

其次，原來汽車電子中用到的更多的封裝技術(shù)是比較傳統(tǒng)的，現(xiàn)在已經(jīng)逐步擴(kuò)展到了很多高I/O、高密度的封裝技術(shù)，例如 WB BGA, FCBGA-SiP等。以前，汽車電子中更多的是電控元件，所以 TO、SOP、SOT、QFN 等封裝技術(shù)在汽車電子上應(yīng)用了很多年。如今，隨著5G的出現(xiàn)，以及汽車電子智能功能的擴(kuò)展，首先駕駛艙內(nèi)一些車載信息娛樂系統(tǒng)內(nèi)的內(nèi)容擴(kuò)展到了 Wire Bond（焊線） 等一些封裝技術(shù)。例如大屏，大屏代表的就是控制芯片的 I/O 多，但又希望它能反應(yīng)迅速，就像手機(jī)用戶肯定不希望按完手機(jī)屏幕后需要等待片刻手機(jī)才有反應(yīng)。在這種需求下，WB BGA 和 fcCSP 等類型的封裝就被應(yīng)用到汽車電子產(chǎn)品中。

ADAS （高級駕駛員輔助系統(tǒng)）出現(xiàn)后，例如 DMS（疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)），在司機(jī)突然犯困時(shí)有提示，在這種需求下就出現(xiàn)了新的基于 FCBGA 技術(shù)上做的 SiP，它在可靠性以及性能上都是有保障的。

目前，還有邊緣計(jì)算（Edge computing）。在 5G R16 國際標(biāo)準(zhǔn)出來之后，不太可能把所有的信號都上傳到云端去做決策，所以有一部分運(yùn)算決策需要在車內(nèi)完成。這就必須要有一個(gè)核心的計(jì)算單元，類似于服務(wù)器的CPU，一旦涉及到高性能、高速的計(jì)算，會(huì)采用 FC-BGA、 Chiplet SiP 等 2.5D/3D 封裝，以及 5 nm，3 nm 這樣的芯片，這還需要發(fā)展一段時(shí)間。

3.3   碳化硅封裝技術(shù)的挑戰(zhàn)

目前，長電科技的客戶在用碳化硅時(shí)，主要運(yùn)用的技術(shù)是 SOT、SOP、QFN、TO。實(shí)際上，碳化硅材料問世以后，還是在沿用原來的一些封裝技術(shù)。但是，人們在盡力提升封裝的性能，以發(fā)揮材料的特性，因?yàn)樘蓟璞旧砟芰軓?qiáng)，但外面穿的“衣服”還不能讓它發(fā)揮優(yōu)勢。所以封裝時(shí)，在散熱、功率、可靠性方面都要提升，尤其是在電性能提升上的，因?yàn)榈谌雽?dǎo)體本身就是電性能上的提升。

4   晶圓廠和封裝廠在封裝方面的各自優(yōu)勢

目前很多晶圓代工廠也在開發(fā) 2.5D 和 3D 封裝技術(shù)，這會(huì)給傳統(tǒng)封裝廠帶來沖擊嗎？

確實(shí)存在影響。因?yàn)樵?nbsp;2.5D 和 3D 技術(shù)中涉及到許多中道封裝，是前道封裝的延續(xù)，而晶圓廠在前道環(huán)節(jié)是有技術(shù)優(yōu)勢的，例如硅轉(zhuǎn)接板（Si TSV Interposer）封裝、3D微凸塊micro-bumps，或者晶圓的 Wafer to Wafer高密度連接。

而像長電科技等封裝廠的優(yōu)勢在于異質(zhì)異構(gòu)的集成。無論是 Interposer 還是 Chiplet，如何把這些芯片用封裝工藝進(jìn)行高密度集成是有很大技術(shù)挑戰(zhàn)的。例如將5、6個(gè)芯片集成到倒裝芯片球柵格陣列的封裝格式（FC-BGA）上，這種封裝里需要10L以上的基板，用到很多異質(zhì)材料。把多個(gè)芯片、被動(dòng)元件、多層基板在后道環(huán)節(jié)進(jìn)行集成，這樣復(fù)雜的工藝難度系數(shù)很大。而封裝廠在解決這類難題時(shí)是有一定技術(shù)積累和技術(shù)優(yōu)勢的。

例如，長電科技江陰工廠從2008年就開始生產(chǎn)大顆的 FC-BGA 產(chǎn)品，目前近 80 mm x 80 mm 的技術(shù)已經(jīng)驗(yàn)證完成，52.5 mm x 52.5 mm 的產(chǎn)品已經(jīng)量產(chǎn)多年。未來，長電科技還將繼續(xù)開發(fā) 70 mm、80 mm 以上的產(chǎn)品。目前已經(jīng)有客戶提出希望長電科技開發(fā) 100 mm x 100 mm 尺寸的 FC-BGA 封裝技術(shù)。這些研發(fā)項(xiàng)目十分具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)椴粌H需要處理硅片，還需要處理好基板、被動(dòng)元器件、散熱蓋、TIM膠等元件的集成——需要關(guān)注這些元件結(jié)構(gòu)配置、翹曲、材料屬性，而且還要實(shí)現(xiàn)99.9%以上的良率。一旦進(jìn)入 2.5D/3D 封裝領(lǐng)域，如果良率僅能達(dá)到 80% 或 90%，是不能被市場接受。因?yàn)橘徣雰H僅一顆 FC-BGA 基板就可能花費(fèi)上百美元，如果良率低，是很難在市場上存活的。

因此，晶圓廠在 2.5D 和 3D 技術(shù)領(lǐng)域的開發(fā)，對封裝廠確實(shí)有一定影響，因?yàn)榫A廠能夠利用自身優(yōu)勢，在中道晶圓級環(huán)節(jié)延續(xù)競爭力。但是作為封裝廠，長電科技也有在 2.5D 和 3D 后道封裝領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)積累和技術(shù)壁壘，當(dāng)下很難判斷輸贏。

從供應(yīng)鏈角度考慮，很多客戶還是期待專業(yè)化的分工，希望晶圓廠專注做好芯片，封裝再單獨(dú)找其他廠商來做。

5   客戶選擇封裝廠的考量因素 

涉及到客戶的商業(yè)模式。實(shí)際上，芯片供應(yīng)商的選擇要考慮的因素很多，比如他們服務(wù)的客戶、客戶的具體需求、終端產(chǎn)品所在的區(qū)域等。此外，從成本和供應(yīng)鏈安全的角度來說，晶圓廠（Fab）的訴求和封裝廠的訴求肯定是不一樣的。

例如 IDM 廠商也并不是完全不委外制造產(chǎn)品，即便產(chǎn)能不滿也會(huì)委托其他廠商代工，來起到多方復(fù)核的效果，做單一來源的技術(shù)是十分危險(xiǎn)的。因此，很多大客戶有非常嚴(yán)格的雙源政策。新產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后，如果只有一家廠商代工，很多客戶寧可不做。這就是為什么一些很好的封裝技術(shù)被開發(fā)出來后，許多大公司不敢輕易采用，主要原因就是雙源政策，客戶不希望把所有技術(shù)環(huán)節(jié)都押注在同一家公司上。

6   長電科技重點(diǎn)發(fā)展的封裝

目前長電科技重點(diǎn)發(fā)展以下幾類封裝。

1）SiP，類似于上文提到的 FEM 這種應(yīng)用于5G的封裝。

2）應(yīng)用于 Chiplet SiP 的 2.5D/3D 封裝。

3）晶圓級封裝，利用晶圓級技術(shù)在射頻特性上的優(yōu)勢來發(fā)展扇出型（Fan-Out）封裝。

4）應(yīng)用于汽車電子和大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等發(fā)展較快的熱門封裝類型。

上述幾類封裝技術(shù)，在通信領(lǐng)域和消費(fèi)領(lǐng)域有很多相通之處。例如 SiP 在兩個(gè)領(lǐng)域內(nèi)都有應(yīng)用。雖然不同領(lǐng)域還需要在結(jié)構(gòu)、性能、材料，甚至成本等方面做一些調(diào)整，但只要著力發(fā)展好通信領(lǐng)域的技術(shù)，便能很好地覆蓋到其他市場領(lǐng)域客戶的需求。例如，消費(fèi)領(lǐng)域的封裝成本壓力較大，長電科技將會(huì)調(diào)整通訊領(lǐng)域所用的高密度封裝中的材料和工藝，在保證產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的基礎(chǔ)上，為客戶提供成本較低的版本。