扇出型封裝為何這麼火？

——麥姆斯諮詢詳解扇出型封裝技術

2017年依然炙手可熱的扇出型封裝行業

新年伊始，兩起先進封裝行業的併購已經曝光：維易科（Veeco）簽訂了8.15億美元收購優特（Ultratech）的協議，安靠（Amkor Technology）將收購Nanium（未公開交易價值）。

Ultratech是扇出型封裝光刻設備的市場領導者，Veeco此次交易將有助鞏固其在先進封裝市場的地位，並豐富光刻機台的產品組合。

Amkor交易案將帶來雙贏的局面：對於Amkor來講，歐洲公司Nanium在內嵌式晶圓級球柵陣列（eWLB）生產中積累了近10年的晶圓級封裝經驗，收購Nanium將有助Amkor這家美國巨頭完善在扇出型封裝方面的專業知識；對Nanium而言，作為歐洲最大的外包半導體組裝與測試（OSAT）服務供應商，將獲得更多的資金和OSAT業內的影響力，因而可以和亞洲龍頭企業競爭。

兩起併購案預示了在2016年已經熱起來的扇出型封裝行業將繼續保持火熱態勢。

設備商Veeco、封裝測試供應商（Amkor、日月光、星科金朋）、晶圓代工廠（TSMC和GLOBALFOUNDRIES）等等都在此布局。

那麼，究竟什麼是扇出型封裝行業？扇出型封裝有什麼獨特的優勢？麥姆斯諮詢在下文中為你做一個全面的解釋。

七年發展之路，台積電成功量產InFO帶來了扇出型封裝的「春天」

2009-2010年期間，扇出型晶圓級封裝（Fan-Out Wafer Level Packaging, FOWLP）開始商業化量產，初期主要由英特爾移動（Intel Mobile）推動。

但是，扇出型晶圓級封裝被限制於一個狹窄的應用範圍：手機基帶晶片的單晶片封裝，並於2011年達到市場極限。

2012年，大型無線/移動Fabless廠商開始進行技術評估和導入，並逐步實現批量生產。

2013-2014年，扇出型晶圓級封裝面臨來自其它封裝技術的激烈競爭，如晶圓級晶片尺寸封裝（WLCSP）。

英特爾移動放棄了該項技術，2014年主要製造商也降低了封裝價格，由此市場進入低增長率的過渡階段。

2016年，TSMC在扇出型晶圓級封裝領域開發了集成扇出型（Integrated Fan-Out, InFO）封裝技術用於蘋果iPhone 7系列手機的A10應用處理器。

蘋果和TSMC強強聯手，將發展多年的扇出型封裝技術帶入了量產，其示範作用不可小覷，扇出型封裝行業的「春天」終於到來！

扇出型封裝技術的發展歷史

扇出型封裝技術及優勢詳解

從技術特點上看，晶圓級封裝主要分為扇入型（Fan-in）和扇出型（Fan-out）兩種。

傳統的WLP封裝多采Fan-in型態，應用於引腳數量較少的IC。

但伴隨IC信號輸出引腳數目增加，對焊球間距（Ball Pitch）的要求趨於嚴格，加上印刷電路板（PCB）構裝對於IC封裝後尺寸以及信號輸出引腳位置的調整需求，扇出型封裝方式應運而生。

扇出型封裝採取拉線出來的方式，可以讓多種不同裸晶，做成像WLP工藝一般埋進去，等於減一層封裝，假設放置多顆裸晶，等於省了多層封裝，從而降低了封裝尺寸和成本。

各家廠商的扇出型封裝技術各有差異，在本文以台積電的集成扇出型晶圓級封裝（integrated fan out WLP，以下簡稱InFO）進行詳細介紹。

台積電在2014年宣傳InFO技術進入量產準備時，稱重布線層（RDL）間距（pitch）更小（如10微米），且封裝體厚度更薄。

台積電InFO技術實現封裝厚度250um，RDL間距10um

台積電InFO剖面圖

InFO給予了多個晶片集成封裝的空間，比如：8mm x 8mm平台可用於射頻和無線晶片的封裝，15mm x 15mm可用於應用處理器和基帶晶片封裝，而更大尺寸如25mm x 25mm用於圖形處理器和網絡等應用的晶片封裝。

InFO適用多種可穿戴類設備

相比倒裝晶片球柵格陣列（FC-BGA）封裝，InFO優勢非常明顯。

對於無源器件如電感、電容等，InFO技術在塑封成型時襯底損耗更低，電氣性能更優秀，外形尺寸更小，帶來的好處則是熱性能更佳，在相同的功率分配下工作溫度更低，或者說相同的溫度分布時InFO的電路運行速度更快。

在InFO技術中，銅互連形成在鋁PAD上，應用於扇出型區域以製造出高性能的無源器件如電感和電容。

與直接封裝在襯底的片式（on-chip）電感器相比，厚銅線路的寄生電阻更小，襯底與塑封料間的電容更小，襯底損耗更少。

以3.3nH的電感為例，65nm的CMOS採用on-chip封裝方式其品質因子Q為12，而InFO封裝則可達到高峰值42。

電感與塑封料越接近，損耗因子越小，Q值越高。

當然，如果電感直接與塑封料接觸，性能最佳。

電感採用on-chip和InFO封裝的性能比較

我們來看看多晶片FC-BGA封裝方式和InFO封裝方式的比較。

封裝尺寸為8mm x 8mm，內有一個5mm x 5mm的基帶晶片，2個2mm x 1.25mm的小晶片，環境溫度為25˚C，功耗為2W，符合典型移動系統的要求。

InFO封裝方式顯示出了明顯的熱性能優異性。

InFO封裝方式中「消失的」的基板層減小了整體尺寸，切斷了晶片通往基板的熱流通路徑。

總體來講，InFO封裝方式的熱電阻比傳統多晶片組件（MCM）低約14%。

（前者為28.0C/W，後者為32.5C/W），從而帶來最大達9˚C的溫度差異。

InFO WLP與FC BGA MCM熱性能比較

60GHz毫米波通信系統允許高清視頻流和快速文件傳輸，已經吸引了千兆數據傳輸應用。

低溫共燒陶瓷技術（Low Temperature Co-fired Ceramic LTCC）和PCB基板用於集成毫米波天線與射頻晶片，但晶片通過凸塊或焊球連接到天線中出現較高的互連損耗，功耗問題是主要的難點。

寬頻貼片天線採用InFO封裝緣由其低介電常數和厚基板的使用。

57~64GHz可以選擇介電常數為4、厚度為300um（下圖中h2）的塑封料（MC）。

結構為兩層RDLs之間夾一層MC。

一層是位於MC頂部的貼片式散熱器，其尺寸890（W）um x 1020（L）um；另一層是位於MC下面的饋電結構，嵌入在聚合物之中。

採用InFO封裝方式的寬頻貼片天線

從下面的圖表可以看到，倒裝晶片的功率放大器輸出功率為14.5mW，而採用InFO封裝則低至11.7mW，節省了17%的功耗。

一般來說，寄生效應越小，互連損耗越低。

下圖的右圖顯示了不同封裝方式的集總電路模型的電感和電容。

可以清楚地看到，使用銅通孔的扇出型封裝寄生效應更小。

與C4（Controlled Collapse Chip Connection，可控塌陷晶片連接）相比，減少70%的電感和73%電容，充分說明了扇出型封裝的損耗是低於BGA和LTCC基板凸塊封裝的。

InFO、倒裝晶片和BGA三種封裝方式比較

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延伸閱讀：

《扇出型封裝技術及市場趨勢-2016版》

《扇入型封裝技術及市場趨勢-2016版》

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