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Tài Xỉu:各路厂商竞相布局,扇出封装何时迎来全面爆发?

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随着便携式电子市场规模日益扩大,对体积更小,更具成本效益的封装需求不断增长,例如2.5D,3D堆叠。根据Yole发布的数据显示,2021年全球3D封装排名前七大企业资本支出合计达119亿美元,而这些投资服务于3D封装市场,价值约为27.4亿美元。Yole还预计2021到2027年间,该市场将以每年19%的复合增长率增长至78.7亿美元。



这引发了半导体先进封装领域更多有关FOWLP的讨论:FOWLP技术固然存在诸多优势:


良好的电气性能


支持对I/O数量不断增长的需求


启用双晶粒或多晶粒封装配置


支持≤10µm线/间隔的精细重新分布层(RDL)迹线


然而这些优势也伴随着巨大的生产成本。为了削减成本,更大面积的封装应运而生。目前已经有几家公司一直在探索大型面板级封装领域,以提供更具成本优势的解决方案。像ASE、NEPES、三星和PTI等公司已经开始投资研发,或者已经建立了小批量生产线。


但与符合半导体设备标准的FOWLP(扇出型晶圆封装)相比,尽管具有经济优势的FOPLP(扇出型面板封装),生产工艺仍然受到设备器材供应商的质疑,而且需要全新的设计理念。此外,缺少标准化的面板尺寸,也是阻碍该技术被广泛采用的重要原因之一。


在这样的大背景下,本文将详细介绍时下最热门的扇出技术和挑战,以及对应的晶圆/面板级先进封装解决方案。


01


什么是扇出?


扇出是一种先进封装技术,通过再次分布层(RDL)来实现芯粒的扩展布线。扇出结构可分为两类:chip-last和chip-first.



被英飞凌Infineon,日月光集团ASE以及Deca科技等公司广泛使用的“chip-first”工艺与“chip-last“工艺流程顺序相反,过程起始于晶粒键合,模制,拆键合,然后是RDL工艺。


扇出的流程包括:载板贴膜,芯粒键合,塑封,去载板,脱胶


晶粒键合


该流程开始于在锯切的硅晶圆上挑选已合格的芯片(KGD),然后将其放置在层压有热敏或紫外线敏感胶带的临时载板上。


塑封


压缩成型工艺通常用于该步骤。首先要称量适量的EMC,然后再将其分配到载板的顶部。接着,机器开始以可控的速度关闭模腔,压合成型。


拆键合


拆键合工艺是通过施加热量或激光照射将重构的晶圆与载板分离。热敏或紫外线敏感胶带层会软化并失去附着力,从而有助于将晶圆与载板分离。


显影、电镀和蚀刻工艺


一旦将RDL内置在芯片或是载板中,就可以开始对晶圆或面板进行最终处理了,其中包括植球,晶圆打磨,激光打标,切片和卷带包装。


02


扇出技术的溯源


扇出有着悠久的历史。这种封装方法于 2007 年首次推出,当时英飞凌设计了其嵌入式晶圆级 BGA (eWLB)。但第一波采用是在 2016 年台积电在 iPhone 7 中使用 InFO 之后。TechSearch International总裁 Jan Vardaman说。


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虽然自 iPhone 7 以来手机一直是典型的用例,但 FOWLP 设计也可以扩展到超级计算机等设备。较新的应用包括网络交换产品、手机和智能手表的 PMIC 以及 AI 芯片。


对于高端应用中的组装,OSAT 和代工厂正在将扇出封装与基板耦合在一起。“以前人们常说不用基板,直接贴在板子上就行了,现在因为高密度要求,需要基板才能贴在PCB板上, ”Pau 说。


今天的 FOWLP 设计还支持更灵活的设计。Gerber 说:“我们的基板桥上扇出芯片 (FOCoS-B) 支柱可以在重分布层之间集成一个或多个裸片,在非常接近有源硅电路的位置集成深沟槽电容器、稳压器等。这将系统级损失降至最低,从而获得更高的性能。”


03


扇出面临的挑战


扇出型晶圆级封装(FOWLP)的高性能水平和多晶粒配置的灵活性,引起了半导体行业的兴趣。然而,从产品良率和周期时间两方面来看,晶粒偏移和翘曲仍然是大规模量产的瓶颈。为了解决这些问题,设备制造商和材料供应商都进行了多项研究。


晶粒偏移


晶粒的位置对于封装设计和制造起着重要的作用。在光刻工艺的光掩膜的制造过程中,需要晶粒预设的位置和封装尺寸作为必要信息。事实上,晶粒偏移属于一种缺陷,是晶粒的位置偏离预先设定位置一段特定距离。如果这段偏移距离够大,将会给光刻图形带来误差,而图形如果无法与掩膜对准,就会导致短路或者断路。


翘曲



翘曲是结构固有的缺陷之一。晶圆/面板之所以能成为异构材料是由于它是由硅片和EMC(模塑料)合成的,因此材料的特性将彼此作用。这样一来,在经过热处理时,硅片与EMC的CTE (热膨胀系数) 的不匹配会导致材料膨胀和收缩的不平衡。这会同时影响到1)生产率;即会在操作和自动化方面出现问题,2)良率,很有可能在涂布过程中引起厚度较大的改变,或在曝光过程中造成图形缺陷。


John Lau等人对最受晶圆/面板翘曲影响的六大工艺环节进行了研究。对于chip-first结构,一旦晶圆从载板脱离,翘曲就随机产生。在face-down工艺中通常被称为eWLB,且在显影的过程中也会发生拆键合和翘曲。因此,如果翘曲没有降低到最小,除了会引起操作上的问题,还将影响到良率。而在face-up的结构中,拆键合后受到影响的是顶部研磨工艺。原因是在执行研磨工艺时,需要均匀的磨去化合物材料以暴露出嵌入的连接线路,超出可允许范围内的翘曲将使得工艺无法执行。因此最小化拆键合后晶圆和面板的翘曲度至关重要。


针对上述问题和挑战,涉足先进封装领域多年的ERS electronic公司,结合50余年的温度控制技术经验,自2000年开始陆续推出晶圆和面板级先进封装解决方案,并研发出了独特的翘曲矫正技术。


04


各路厂商竞相布局


台积电是 FOWLP 市场的领先者,主要得益于 inFO 封装成功运用在 iPhone 的 APE 中,并在 2016 年产生了一个新的细分市场:HDFO(高密度扇出型封装)。InFO-oS 技术现已用于小批量制造中的 HPC,还为服务器开发了 InFO-MS(基板上的内存),也为 5G 开发了 InFO-AiP。同时兼具晶圆代工和高端封装两种身份,让台积电会继续创造独特的价值。


目前,台积电在该领域所占市场份额为 66.9%。而台积电、日月光半导体、江苏长电科技和安靠科技所占市场份额总计达 95%。


中国大陆地区封装厂也在积极布局扇出型封装,并开发出了具有特色的新工艺,比如长电先进开发的 ECP 工艺,采用包覆塑封膜替代了液态或者粉体塑封料;华天开则发出 eSiFO 技术,由于采用 via last TSV 方式,可以实现高密度三维互连。


在 FOPLP 方面,三星电机是绝对的引领者。当初,三星电机正是通过发明这种技术来与台积电的 inFO 相抗衡。


三星集团在设计、内存、逻辑、封装、芯片组装和最终产品方面发挥了重要作用,因此可以在其内部推动扇出型封装的突破。作为三星集团的一部分,三星电机要贡献差异化但成本低廉的技术。在 2018 年,三星电机通过为三星 Galaxy Watch 推出具有扇出型嵌入式面板级封装(ePLP)PoP 技术的 APE-PMIC 设备,实现了新的里程碑。三星电机将继续为具有成本效益的高密度扇出封装进行创新,以便再次与台积电竞争苹果的封装和前端业务。


日月光也推出面板级扇出型(Panel FO)封装,2019 年底产线建置完成,于 2020 下半年量产,应用在射频、射频前端模组、电源服务器中。


除了三星电机之外,J-DEVICES、FUJIKURA、日月光半导体、Deca Technologies、矽品科技等封装厂也在积极投入 FOPLP 制程中。在大陆地区,合肥矽迈、中科四合、重庆矽磐微等厂商也都实现了批量出货。


目前看来,FOWLP 和 FOPLP 都有各自的发展路径。不过,FOPLP 的发展给了封装厂,乃至基板制造商和平板显示(FPD)厂商在扇出封装领域同晶圆代工厂一较高下的资本。集微咨询(JW insights)认为,当 FOPLP 技术进一步成熟,有越来越多类型的厂商参与进来的时候,扇出型封装才会迎来全面的爆发。


最后


业界正在寻找多种方法来使用扇出封装来简化封装并简化流程。“我们让客户用 5 层 RDL 替换 12 层基板,同时机身尺寸缩小了 20%,”Deca 的 Olson 说。“扇出目前比基板解决方案更昂贵,但如果您能够减少层数,它在成本上非常具有竞争力。”


Vardaman 认为未来需要芯片优先和芯片后两种方案。“一切都是为了为你想做的事情选择正确的封装和正确的结构。”


来源:ERS亚洲,半导体芯闻,爱集微

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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