為在合理的設(shè)計制造成本下持續(xù)提升半導(dǎo)體組件的性能，各種堆棧式封裝已大行其道。然終端產(chǎn)品對于產(chǎn)品外觀厚度的要求亦不容輕忽，因此芯片3D堆棧仍受一定限制。新型封裝內(nèi)聯(lián)機技術(shù)的問世，可望在功能增加與封裝厚度的矛盾間取得新的平衡點。
拜更強大的基頻(Baseband)與應(yīng)用處理器所賜，手機的功能不斷進步，運作頻率也持續(xù)提升，業(yè)界也朝向采用層迭封裝(PoP)堆棧技術(shù)。這些手機功能與處理器容量的提升，要歸功于半導(dǎo)體制程技術(shù)的進步。舉例來說，基頻與應(yīng)用處理器需要越來越多的內(nèi)聯(lián)機，迫使業(yè)界轉(zhuǎn)而采用面數(shù)組式覆晶封裝。此外，從引線搭接轉(zhuǎn)向覆晶技術(shù)，對于PoP的設(shè)計與組裝而言，也衍生出許多挑戰(zhàn)與機會。

帶動PoP堆棧的力量，主要是手機與其他掌上型電子裝置須要縮小封裝的底面積。除了得減少在主板上占用的空間，其面積不得超過內(nèi)存，且須將邏輯組件封裝并排外，PoP堆棧因為可減少零件之間的聯(lián)機長度，故帶來更好的電氣效能。PoP封裝符合固態(tài)技術(shù)協(xié)會(JEDEC)的相關(guān)標準，讓制造商能向不同供貨商購買邏輯與內(nèi)存組件。邏輯堆棧上典型的PoP內(nèi)存頂部與底部之間的球柵數(shù)組封裝(BGA)內(nèi)聯(lián)機間距僅有0.65毫米(mm)，底部封裝與主板的 BGA間距則為0.55毫米?，F(xiàn)今采用PoP制程的雙內(nèi)存晶粒，頂部封裝的最大高度為1.3～1.4毫米。但這種組件的高度，通常超過許多上層封裝內(nèi)有兩個內(nèi)存晶粒以上堆棧的PoP封裝(表1)。
表1 組件封裝技術(shù)比較表


智能型手機的市場持續(xù)成長，預(yù)計在2013年出貨量將超過五億支。消費者期盼多合一的功能，包括行動上網(wǎng)、影音、衛(wèi)星定位、相機及游戲等功能。對于更高效能的需求，帶動了處理器芯片尺寸的成長，以及需要更多的內(nèi)聯(lián)機。此外，各種封裝規(guī)格將維持不變甚至縮小，以便能夠裝入越做越小與越薄的裝置內(nèi)。

覆晶封裝孤掌難鳴內(nèi)聯(lián)機技術(shù)應(yīng)與時俱進

在底部封裝運用覆晶內(nèi)聯(lián)機技術(shù)，為PoP堆棧提供更多彈性。以覆晶來取代裸晶層級的內(nèi)聯(lián)機，會增加X/Y軸向的可用空間，如此會增加頂部與底部連結(jié)點的數(shù)量，或是做出更大的處理器芯片。

由于覆晶裸晶采用充填底膠，因此毋須從頂部向下澆灌封膠，也不須要引線搭接，從而減少所需的X/Y軸向空間。而省去向下澆灌封膠，亦可縮減頂部與底部封裝之間的間距高度，故允許在更細的內(nèi)聯(lián)機間距中采用較小的錫球(圖1)。
圖1 左為晶粒層級的內(nèi)聯(lián)機，右為覆晶底部封裝。


另一種增加功能的途徑，是采用封裝高度較低的覆晶裸晶，并把第二個裸晶迭到覆晶的頂部。第二個裸晶需要引線搭接的內(nèi)聯(lián)機，以及進行頂部向下澆灌封膠，以此法制作出的PoP內(nèi)聯(lián)機會增加高度，因此需要較大的錫球與較大的間距。迭在底部的第二個芯片，與頂部封裝之間也可能需要更多連接點。整個封裝必須加高與加寬來容納這些元素，或采用高長寬比的細間距解決方案，作為頂部與底部封裝的內(nèi)聯(lián)機(圖2)。
圖2 采用封裝高度較低覆晶圖示


新型PoP內(nèi)聯(lián)機問世接腳數(shù)/厚度改善有解

隨著處理器的功能日趨強悍與多元化，即使置于底側(cè)封裝的單裸晶仍需要更多內(nèi)聯(lián)機來連結(jié)頂側(cè)封裝，需要的數(shù)量超過最低標準間距0.5毫米，例如12毫米封裝的一百六十八個輸入/輸出(I/O)端子。增加封裝的底面積來容納更多頂側(cè)封裝與底側(cè)封裝的內(nèi)聯(lián)機，或是在現(xiàn)有規(guī)格中加入更多列的端子并縮減裸晶的尺寸的作法，在大多數(shù)情況下都不可行，因此須要采用細間距的解決方案。

其中一種解決方案是提高封裝密度，并維持或縮減封裝的底面積，也就是Tessera的μPILR PoP封裝(圖3)。
圖3 μPILR PoP封裝圖示


較小長寬比的銅柱，抬高濕式處理的表面，讓焊料的內(nèi)聯(lián)機高于基板的表面，讓組件可采用越來越小的錫球，進而置于更細的間距。經(jīng)過濕式處理準備進行 μPILR制程時，焊料就會吸附到錫柱上，并維持足夠的間距，避免垂直內(nèi)聯(lián)機間出現(xiàn)焊料的搭橋短路現(xiàn)象。這使得PoP能在更細的間距上進行堆棧，直立高度提高的幅度，就是μPILR的高度。額外多出的高度余裕度，能為底部封裝堆棧裸晶帶來緩沖彈性，毋須增加組件的整體底面積，進而節(jié)省封裝成本和主板空間。

此外，高度平面化銅柱所抬高的濕式處理表面，會產(chǎn)生更高的堆棧良率，提供更多緩沖空間，消除因基板的板彎造成接點開路與短路的缺陷。針對一般板彎變形的基板進行并置堆棧測試時，利用μPILR技術(shù)所做出的內(nèi)聯(lián)機，不僅沒有開路或短路的現(xiàn)象，錫鉛凸塊很牢固地接合各個零件。

μPILR PoP解決方案克服了傳統(tǒng)BGA技術(shù)的種種限制，讓制造商能推出低高型、微間距、且效能更高的組件。μPILR能達到0.3毫米的間距，并讓直立高度維持在0.2毫米，讓封裝的整體高度不到1.0毫米。這項技術(shù)還帶來高可靠性優(yōu)點，因為μPILR內(nèi)聯(lián)機在靜態(tài)與動態(tài)負載下，都維持相當高的耐撓曲性。最后，由于μPILR PoP采用標準材料與組裝制程，因此毋須再投資增加基礎(chǔ)設(shè)備。

覆晶/凸塊組裝攜手滿足市場

除了PoP外，μPILR還可用在底部覆晶封裝，透過基板上的銅柱將覆晶裸晶接合在封裝上，而不是透過裸晶上的銅柱(圖4)。
圖4 μPILR覆晶貼合為細間距的凸塊濕潤及底部填膠的實際直立空隙提供較多容許幅度。


μPILR提供一種高共面性的凸塊互連層，為凸塊接合提供更高的濕制程容許幅度(Wetting Margin)。在組裝大體積薄型組件時，這種特性非常重要，尤其是內(nèi)含大量凸塊且容易繞曲的超薄封裝基板。支持覆晶的μPILR內(nèi)聯(lián)機，亦能建構(gòu)出更高的I/O組件，能夠把間距縮小至100微米(μm)以下。這讓業(yè)者可預(yù)估直立高度，即使采用可塌扁的無鉛焊錫凸塊，底膠仍能維持高良率，并降低電遷移造成損毀的風(fēng)險，因為縮減間距，不一定要縮減裸晶焊墊尺寸，也不一定會產(chǎn)生電流聚集效應(yīng)(表2)。[!--empirenews.page--]
表2 JEDEC BGA PoP封裝與Tessera μPILR FC PoP封裝比較


消費者不斷要求更薄且更強大、多功能、多合一的掌上型電子產(chǎn)品。為滿足這些需求，PoP組件必須持續(xù)微型化，并提高內(nèi)聯(lián)機密度來達到更高處理效能。在底部封裝裸晶運用覆晶技術(shù)，雖然有助縮小封裝尺寸，但由于用到傳統(tǒng)焊球，因此發(fā)展受到限制。μPILR內(nèi)聯(lián)機解決方案，支持PoP與覆晶內(nèi)聯(lián)機，能進一步整合各項功能，并讓電子組件持續(xù)微型化。

(本文作者為Tessera臺灣區(qū)總經(jīng)理暨東亞區(qū)總監(jiān))