嵌入式芯片封装发展趋势解析

根据麦姆斯的咨询，芯片和系统形状尺寸的发展趋势越来越小，嵌入式芯片包装找到了新的需求。

根据Yole报告，日月光（ASE）、奥特斯（AT&S）、通用电气（GE）、神钢电机（Shinko）、太阳诱电（Taiyo Yuden）、TDK、Würth Elektronik商业嵌入式芯片嵌入式芯片包装市场上展开了激烈的竞争。事实上，在这场比赛中，ASE与TDK合作提高产量。此外，德州仪器（Texas Instruments，ti）其他集成电路制造商也开发了自己的嵌入式芯片包装。

嵌入式芯片包装不同于大多数包装类型。一般来说，在许多集成电路包装中，设备位于基板的顶部。基板作为设备和包装板之间的桥梁。

嵌入式包装一词有不同的含义。但在嵌入式芯片封装的世界里，是指将元器件嵌入基板中的多步制造工艺。单芯片、多芯片、MEMS或者无源元件可以并排排列（side-by-side）嵌入有机层压基板的方式（organic laminate substrate）之中。这些部件通过镀铜通孔（via）连接起来。总之，系统中的空间可以通过嵌入式包装释放。

图1：TDK嵌入式芯片封装工艺称为SESUB（来源：TDK、Prismark）

嵌入式芯片包装不是一项新技术，但由于工艺中的各种挑战，该技术被归类为利基应用，但前景光明。TDK最近，它推出了世界上最小的蓝牙模块，使用其独特的嵌入式芯片技术。此外，嵌入式芯片技术还提供了微包装、模块和板上系统等多种应用选项（system-in-boards，SiBs）等。

图2：在TDK在这个过程中，设备嵌入了四个极薄的基板层，主要是微互连和通孔，总高度为300μm

ASE工程技术营销总监Mark Gerber显然，尺寸是将有源芯片嵌入基板的驱动因素。在‘x’和‘y在轴上，整体收缩会明显。这种微型化可以使设计更加灵活，当考虑布线更大化时。目前嵌入式有源元件市场主要集中在功率模拟器件领域。蓝牙无线模块（Bluetooth WiFi modules）微型化已成为嵌入式芯片包装的主要应用领域。其他应用还包括手机市场的射频模块。”

嵌入式芯片包装也有缺点。它结合了先进包装和印刷电路板（PCB）的技术，因此面临一些制造方面的挑战。此外，生态系统还相对不成熟。Yole的分析师Vivienne Hsu说明：嵌入式芯片的成本仍然过高，有时良率过低。

尽管如此，该技术在许多方面取得了进展，为客户提供了另一种选择。事实上，根据Hsu这个技术和风扇（fan-out）类型包装、引线框架包装（leadframe packages）和功率模块（power modules）包装有重叠，有时会互相竞争。

根据Yole根据数据，嵌入式芯片包装市场规模仍较小，预计2017年至2018年将从1500万美元增加到1800万美元。到2023年，市场规模预计将达到5000万美元。

选择多种包装方式

嵌入式芯片包装有许多集成电路（IC）包装类型之一。基本上，IC包装可分为三类：引线框架包装、晶圆级包装（WLP）基板级封装。

第一类:引线框架包装。用于模拟等市场的引线框架包装系列涉及多种包装类型，如方形扁平无引脚包装（QFN）方形扁平包装（QFP）。引线框架为金属框架，裸片贴在框架上，用细引线连接。

图3：QFN封装图(资料来源:维基百科)

第二类：晶圆级封装（WLP）。这种包装主要涉及扇入型（fan-in）和扇出型（fan-out）两种包装类型。WLP封装时裸片还在晶圆上。一般来说，WLP是一种无基板封装。WLP使用布线层（routing layers）或重新布线层（RDL）该薄膜在包装过程中提供电气连接，而不是基板。

RDL与电路板不直接连接。WLP锡球将用于封装体底部，以便RDL连接到电路板。

图4:风扇入型包装、倒装芯片与风扇出型包装技术的比较(来源:Yole）

第三类：基于基板的包装。同时，基板的包装可分为陶瓷基板和有机层压基板。陶瓷基板是由氧化铝、氮化铝和其他材料制成的。基于陶瓷基板的包装通常用于表面设备（surface-mount devices）、CMOS图像传感器和多芯片模块（multi-chip module）。

有机层压基板通常用于2.5D/3D、倒装芯片和系统级封装（SiP）中。这种封装设备位于基板上。有机基板的材料通常是FR-4或其它材料。FR-四是由环氧树脂组成的玻璃纤维布。这些基板使用类似或相同的材料作为材料PCB。因此，在某些圈子里，有机基板有时被称为PCB。有机基板也是多层技术，其中至少有两层被金属层隔开。金属层作为封装中的电迁移阻挡层（electromigration shield）。

通常，IC它将包装在电路板上，但有时会占用系统中宝贵的电路板空间。那么，为什么不将芯片嵌入基板中以节省空间和成本呢？

这是嵌入式芯片封装的地方，不会与风扇出型封装混淆。在风扇出型包装中，裸片将嵌入环氧树脂成型树脂中（molded epoxy compound）晶圆的重建（reconstituted wafer）中。

嵌入式芯片包装不同。这些部件嵌入多层基板。TDK高级战略营销经理Nigel Lim解释道：“IC它将嵌入基板的核心部分。核心部分由特殊树脂制成，其他基板层标准PCB材料”。

Lim说：裸片通常并排放置。TDK对并排放置2~三块裸片经验丰富。如果是标准的4层基板，所有裸片都会放在2层和3层之间，裸片不会堆叠。

这种排列有很多好处。AT&S高级封装业务部首席执行官Dietmar Drofenik和AT&S公司研发部主任Hannes Vorarberger表示：“ECP该技术的主要优点是：促进尺寸微型化、互联可靠、性能更高，提高了对集成元件的保护。”AT&S是PCB基板供应商称其嵌入式技术为嵌入式元件包装（Embedded Component Packaging ，ECP）。

Drofenik和Vorarberger还补充道：还补充道：：还补充道：ECP通过降低其他包装技术的成本，还支持模块化趋势。隐形电子设备（嵌入式芯片）可有效防止逆向工程和欺诈。

嵌入式芯片是将多个芯片集成到单个包装体中的几种方法之一，但并非唯一的选择。TEL NEXX战略业务发展总监Cristina Chu说：系统级封装是最受欢迎的选择。由于成本原因，风形包装也有很大的发展潜力。正是这些封装解决方案为市场提供价格更低、技术更好的解决方案。”（ASM Pacific已宣布从TEL公司收购TEL NEXX的计划。）

另一个选项是2.5D/3D。所有这些包装类型都为客户提供了多种选择。IC根据传统芯片尺寸的缩小规律，供应商可以继续开发芯片上的系统（SoC）此外，只有少数供应商能够负担得起先进节点的设计成本。

另一种获得尺寸缩小的好处是将多个设备放置在单个先进的包装中，这可能会以较低的成本提供SoC功能。这就是所谓的异构集成。

嵌入式芯片为何如此流行？

多年来，该行业一直以这种或那种形式包装嵌入式芯片和无源元件。嵌入式芯片包装可以追溯到20世纪90年代，通用电气（GE）该技术与其他公司一起推出。TechSearch International总裁Jan Vardaman说：“TI的MicroSIP不是第一个嵌入式芯片包装，而是最早的一批。”

事实上，这项技术是在德州仪器公司2010年兴起的（Texas Instruments，TI）推出了其MicroSiP电源模块。模块将IC嵌入基板的厚度只有1mm。产品配置之一是，TI将其PicoStar电源管理器件嵌入基板，并在封装体顶部安装无源元件。

TI还在销售MicroSiP。TI的Sreenivasan Koduri我们正在设计和制造特殊的设计和制造PicoStar封装（不是IC）嵌入式基板/嵌入式基板/ PCB中。电路IP、PicoStar、嵌入芯片与无源芯片集成的结合实现了价值定位。这就是为什么该技术能够突破以往解决方案的限制障碍。

图5：TI MicroSiP横截面图(来源:TI）

其他公司在竞争中增强实力。2013年，GE收购市场领先企业Imbera。2015年，ASE和TDK合资企业在竞争中成立。根据Yole到2015年，合资企业嵌入式芯片封装业务规模达到2400万美元。然而，在2016年和2017年，该公司的业务下滑主要是由于该技术的关键市场（移动设备的摄像头模块）增长放缓。

此外，嵌入式芯片的产品设计周期比预期的要长。TechSearch的Vardaman说：良率是嵌入式芯片的主要挑战之一。

然而，嵌入式芯片包装正呈现出新的增长趋势。Yole的Hsu该技术正在逐渐复兴，对数据中心等具有优化热管理需求的行业具有巨大的吸引力。汽车行业也对该技术感兴趣。该技术主要适用于高功耗（更好的热管理）或超小型（更薄的厚度）。

与其他技术一样，嵌入式芯片包装也面临着成本、良率等问题。Hsu说:嵌入芯片后，很难测试最终产品。嵌入式芯片的供应链相对不成熟。

事实上，该技术还存在其他问题。西门子（Siemens Business）子公司Mentor产品营销经理David Wiens说：“在PCB嵌入式无源薄膜元件(电阻、电容、电感)在空间中向超小尺寸发展。额外的制造成本在一定程度上抵消了降低的装配成本。嵌入式有源器件是符合小尺寸趋势的新技术。因为不能返工，注定要贵，通常需要RDL。”

最近，该行业采取了相应的措施来支持该技术。几年前，TDK发布了半导体嵌入式硅基板（SESUB）嵌入式芯片技术。TDK已经使用SESUB包装世界上最小的蓝牙模块。

然而，SESUB是专属解决方案。一般来说，客户为了保证充足的供应和优质的定价，需要第二个供货渠道。

这也是TDK与ASE共同组建合资企业的动机之一。在合资企业之前，ASE通过两方面参与市场：第一，ASE凭借自己研发的产品；第二，对于那些想要SESUB的客户，ASE就会将设计或元器件发给TDK，TDK会为ASE进行封装。

目前，通过合资企业的方式，ASE可提供整个SESUB的解决方案。该公司已将设备安排在台湾工厂，并正在加紧扩大这项技术的产能。

在基本的SESUB流程中，晶圆在代工厂中加工。晶圆被减薄到50μm，芯片被切割成小块。然后，芯片被放置在单独的面板上，在那里将进行板级（panel-level）工艺。在面板中，我们的目的是加工更多芯片，而不是处理晶圆，以降低成本。

板级工艺也正在为其他市场进行研发。该行业正在以板级的方式开发扇出型封装。这与板级嵌入式芯片封装并不相同。

与此同时，在嵌入式芯片流程中，裸片被贴装在基板的核心位置。裸片会并排放置在其中的一层中。ASE的Gerber说：“那么，最终会在裸片上层压一种材料。然后，回来用激光照射该材料来形成焊盘（pad）。接着，进行图形化工艺再在其上贴装电路板。”

其成果就是将嵌入式芯片的厚度减小到260~300μm。Gerber补充道：“在嵌入式芯片中，可以集成的裸片数量是没有限制的。但大多数情况都将集成芯片的数量保持在4个或更少。因为嵌入的裸片越多，良率损失的风险就越大。”

这项技术有对电热管理有利。Gerber继续解释：“这与正在进行的如TSV的3D堆叠解决方案没什么不同。裸片排列更紧凑，这样互连会更短。当在嵌入式技术上进行互连工艺时，就是在pad的顶部构建了布线层。因此当创建通孔或连接点与pad连接，我发现一种无需焊料就可以实现互连的方法，这就是copper-to-copper。从可靠性的角度来看，如果材料匹配，就不会有太多问题。”

在SESUB中，最通用的配置是4层基板的嵌入式封装，有些也会开发2层、5层或6层的基板。

该技术对于输入输出（I/O）数量的理想数值是400。line/space的规范是大于等于10μm。pad尺寸为80μm，pad间的间距为120μm。Gerber说：“到2018年和2019年，pad尺寸有望会降为30μm，间距降为50μm。”

与此同时，ASE提供了自主研发的名为“先进嵌入式有源系统集成（aEASI）”的嵌入式芯片技术。在近些年的生产过程中，aEASI专为高功率应用提供服务。这是将引线框架和基板技术混合使用的封装技术。

其他选择

2008年，欧洲成立了将致力于嵌入式芯片技术商业化的联盟。AT&S公司实现了ECP技术的商业化。

AT&S的Drofenik和Vorarberger解释道：“ECP使用有机层压基板中的空间来嵌入有源（芯片）或无源元器件。电容器和电阻器的厚度薄且采用铜布线，已经开发成功，而压敏电阻和热敏电阻还在开发中。”

MEMS也可以集成到封装中。与SESUB一样，ECP也使用板级的方式进行处理。Drofenik和Vorarberger说：“嵌入式工艺可分为三个主要步骤：元器件组装（核心结构、形成空腔、贴保护层）、层压（树脂填充，去保护层）、以及结构化（激光钻孔、电子测试）。”

图6：ECP工艺流程（来源：AT&S）

这项技术可用于汽车、通信、医疗、手机和其他应用。Drofenik和Vorarberger说：“如今，使用这项技术的典型应用有：如穿戴设备、MEMS、无线连接模块等便携式电子设备，如助听器等医疗产品，识别系统或通过扇出技术实现细间距的IC。”

图7：ECP工艺流程（来源：AT&S）

接下来会如何发展？这项技术正朝着AT&S所说的“一体化”模块发展。这正是当今技术的发展趋势。这会涉及使用先进的PCB之类的基板和封装来开发集成度更高、尺寸更小的模块。

为此，客户将有封装一系列新型元器件和技术供选择，包括：绝缘金属基板、多层基板、高密度互连（HDI）、柔性PCB和插入式选项。Drofenik和Vorarberger说：“如先进SIP和SiB等新型先进封装技术，能在很大程度上将所有基本技术以模块化的形式结合起来。”

嵌入式芯片封装前途值得期待！如果能够克服一些挑战，它将会有广阔的发展空间。如果暂时无法克服，它仍是一项利基技术。最坏的情况是，它可能会在混乱的封装技术前景中迷失方向。

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