——詳解扇出型封裝技術
2023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**：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是扇出型封裝光刻裝置的市場領導者，veeco此次交易將有助鞏固其在先進封裝市場的地位，並豐富光刻機臺的產品組合。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**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2023年已經熱起來的扇出型封裝行業將繼續保持火熱態勢。裝置商veeco、封裝測試**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乙個全面的解釋。
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」
2009-2023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乙個狹窄的應用範圍：手機基帶晶元的單晶元封裝，並於2023年達到市場極限。2023年，大型無線/移動fabless廠商開始進行技術評估和匯入，並逐步實現批量生產。
2013-2023年，扇出型晶圓級封裝面臨來自其它封裝技術的激烈競爭，如晶圓級晶元尺寸封裝(wlcsp)。英特爾移動放棄了該項技術，2023年主要製造商也降低了封裝**，由此市場進入低增長率的過渡階段。
2023年，tsmc在扇出型晶圓級封裝領域開發了整合扇出型(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封裝多採fan-in型態，應用於引腳數量較少的ic。但伴隨ic訊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封裝後尺寸以及訊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，在本文以台積電的整合扇出型晶圓級封裝(integrated fan out wlp，以下簡稱info)進行詳細介紹。
台積電在2023年宣傳info技術進入量產準備時，稱重佈線層(rdl)間距(pitch)更小(如10微公尺)，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給予了多個晶元整合封裝的空間，比如：8mm x 8mm平台可用於射頻和無線晶元的封裝，15mm x 15mm可用於應用處理器和基帶晶元封裝，而更大尺寸如25mm x 25mm用於圖形處理器和網路等應用的晶元封裝。
info適用多種可穿戴類裝置
相比倒裝晶元球柵格陣列(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，電氣效能更優秀，外形尺寸更小，帶來的好處則是熱效能更佳，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的電路執行速度更快。
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效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，效能最佳。
電感採用on-chip和info封裝的效能比較
我們來看看多晶元fc-bga封裝方式和info封裝方式的比較。封裝尺寸為8mm x 8mm，內有乙個5mm x 5mm的基帶晶元，2個2mm x 1.25mm的小晶元，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效能優異性。info封裝方式中「消失的」的基板層減小了整體尺寸，切斷了晶元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元組件(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熱效能比較
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，倒裝晶元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，可控塌陷晶元連線)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、倒裝晶元和bga三種封裝方式比較
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