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当AiP技术和扇出型封装技术是通往5G发展

发布时间:2021-09-11 03:35:58 阅读: 来源:管道泵厂家
当AiP技术和扇出型封装技术是通往5G发展

AiP技术和扇出型封装技术是通往5G发展的桥梁

台湾工研院产科国际所预估,未来5G高频通讯芯片封装可望朝向AiP技术和扇出型封装技术发展。法人预期台积电、日月光和力成等可望切入相关封装领域。

展望未来5G时代无线通讯规格,工研院产业科技国际策略发展所产业分析师杨启鑫表示,可能分为频率低于1GHz、主要应用在物联领域的5G IoT;以及4G演变而来的Sub-6GHz频段,还有5G高频毫米波频段。

观察5G芯片封装技术,杨启鑫预期,5G IoT和5GSub-6GHz的封装方式,大致会维持3G和4G时代结构模组,也就是分为天线、射频前端、收发器和数据机等四个主要的系统级封装(SiP)和模组。

至于更高频段的5G毫米波,需要将天线、射频前端和收发器整合成单一系统级封装。

AiP将成主流

在天线部分,杨启鑫指出,因为频段越高频、天线越小,预期5G时代天线将以AiP(Antenna in Package)技术与其他零件共同整合到单一封装内。

所谓AiP,就是片上天线,其实本身的原理并不十分复杂,和传统的微带天线相比,主要区别是把介质基板换成了芯片上面的封装。AiP最近两年其实发展比较快,这和毫米波的发展是离不开的。

简单来理解,AiP将天线集成到芯片中,其优点在于可以简化系统设计,有利于小型化、低成本。但是了解电磁场理论的朋友都知道,谐振型天线的辐射效率与其电尺寸密切相关,天线最大增益更是受到物理口径的严格限制。传统的民用通信频率多工作在10GHz以下。以民用最广的2.4GHz为例(Wifi,蓝牙等),其空气中半波长约为6cm。为使天线达到可以实用的效率,需要大大增加原有芯片封装的长宽高。这样对小型化和低成本都很难有贡献,反而是更大的副作用。

随着无线通信的发展,10GHz以下频谱消耗殆尽,民用通信终于在近几年转移向资源更广阔的毫米波段。 顾名思义,毫米波段波长在mm这个量级。片上天线的尺寸可以小于一般的芯片封装。这就为AiP的实用带来了新的机遇。

以60GHz为例,片上天线单元仅为mm(考虑到封装具有一定的介电常数),因此芯片封装不但可以放得下一个单元,而是可以放得下小型的收发阵列。去年Google推出的黑科技Project Soli 就是这样的一个片上系统(如下环保型企业碳阻迹开创人晏路辉说图,四个方片状的金属片就是AiP)。 该芯片及套件今年即将上市。

实验数据更加准确

另外,现在火热的77GHz车载雷达,也有供应商提供了AiP的片上系统,并即将量产。当然,这样的雷达功能也相对较弱,但是在低成本、小型化方面却取得了优势。

Fan-out已经火热

除了用载板进行多芯片系统级封装外,杨启鑫表示,扇出型封装(Fan-out)因可整合多芯片、且效能比以载板基础的系统级封装要佳,备受市场期待。我们来看一下Fan-Out的发展。

在年期间,扇出型晶圆级封装(Fan-Out Wafer Level Packaging, FOWLP)开始商业化量产,初期主要由英特尔移动(Intel Mobile)推动。但是,扇出型晶圆级封装被限制于一个狭窄的应用范围:基带芯片的单芯片封装,并于2011年达到市场极限。2012年,大型无线/移动Fabless厂商开始进行技术评估和导入,并逐步实现批量生产。

年,扇出型晶圆级封装面临来自其它封装技术的激烈竞争,如晶圆级芯片尺寸封装(WLCSP)。英特尔移动放弃了该项技术,2014年主要制造商也降低了封装价格,由此市场进入低增长率的过渡阶段。

2016年,TSMC在扇出型晶圆级封装领域开发了集成扇出型(Integrated Fan-Out, InFO)封装技术用于苹果iPhone 7系列的A10应用处理器。苹果和TSMC由于电液伺服万能实验机良好的控制性能及实验精度强强联手,将发展多年的扇出型封装技术带入了量产,其示范作用不可小觑,扇出型封装行业的“春天”终于到来!

扇出型封装技术的发展历史

从技术特点上看,晶圆级封装主要分为扇入型(Fan-in)和扇出型(Fan-out)两种。传统的WLP封装多采Fan-in型态,应用于引脚数量较少的IC。但伴随IC信号输出引脚数目增加,对焊球间距(Ball Pitch)的要求趋于严格,加上印刷电路板(PCB)构装对于IC封装后尺寸以及信号输出引脚位置的调整需求,扇出型封装方式应运而生。扇出型封装采取拉线出来的方式,可以让多种不同裸晶,做成像WLP工艺一般埋进去,等于减一层封装,假设放置多颗裸晶,等于省了多层封装,从而降低了封装尺寸和成本。各家厂商的扇出型封装技术各有差异,在本文以台积电的集成扇出型晶圆级封装(integrated fan out WLP,以下简称InFO)进行详细介绍。

台积电在2014年宣传InFO技术进入量产准备时,称重布线层(RDL)间距(pitch)更小(如10微米),且封装体厚度更薄。

InFO给予了多个芯片集成封装的空间,比如:8mm x 8mm平台可用于射频和无线芯片的封装,15mm x 15mm可用于应用处理器和基带芯片封装,而更大尺寸如25mm x 25mm用于公道的保护保养可会使机器使用寿命延长的哦图形处理器和络等应用的芯片封装。

相比倒装芯片球栅格阵列(FC-BGA)封装,InFO优势非常明显。对于无源器件如电感、电容等,InFO技术在塑封成型时衬底损耗更低,电气性能更优秀,外形尺寸更小,带来的好处则是热性能更佳,在相同的功率分配下工作温度更低,或者说相同的温度分布时InFO的电路运行速度更快。

在InFO技术中,铜互连形成在铝PAD上,应用于扇出型区域以制造出高性能的无源器件如电感和电容。与直接封装在衬底的片式(on-chip)电感器相比,厚铜线路的寄生电阻更小,衬底与塑封料间的电容更小,衬底损耗更少。以3.3nH的电感为例,65nm的CMOS采用on-chip封装方式其品质因子Q为12,而InFO封装则可达到高峰值42。电感与塑封料越接近,损耗因子越小,Q值越高。当然,如果电感直接与塑封料接触,性能最佳。

从厂商来看,法人预估台积电和中国大陆江苏长电科技积极布局,此外日月光和力成也深耕面板级扇出型封装,未来有机会导入5G射频前端芯片整合封装。

资策会产业情报研究所(MIC)日前表示,5G是明年通讯产业亮点之一,估5G智慧最快明年初亮相,2021年起显著成长。

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