新興封裝技術：小型化趨勢永無止境

從MCM、ECP到2.5D的TSV等持續整合電子元件於更小封裝的創新技術出現，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。

半導體產業持續整合電子元件於更小封裝的創新能力，不斷締造出令人讚嘆的成果。

我很早就是一個業餘的愛好者，曾經將封裝於T-05金屬罐的電晶體布線開發板上。

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）。

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。

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。

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晶體振蕩器之下，因此無法直接看到，但可透過圖5的封裝圖看到。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

新型封裝技術的出現，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布，這漫長的等待時間怎不教人心急？