InFO:曾经被台积电独占的高端半导体芯片封装技术

HOTKING2019-10-25 12:00:00芯片封装

最近几年,沉寂了三十多年的半导体封装测试行业渐渐热闹起来,InFO技术起源于FOWLP封装。FOWLP封装最早在2009~2010年由Intel提出,仅用于手机基带芯片封装。

最近几年,沉寂了三十多年的半导体封装测试行业渐渐热闹起来,新技术产能大开,以前门前冷落的CoWoS技术也开始热络,曾经被台积电独占的InFO技术开始普及。因为大家都明白,有了先进封装技术,半导体世界里的各种梦想才会成真。


采用InFO技术的苹果A10处理器

晶圆级系统整合(WLSI)技术平台方面,台积电经过10年时间已经构建了完整的工艺制程与产能核心竞争力,建立了支援异质系统整合与封装能力,以满足特定客户在芯片性能、功耗、轮廓(Profile)、周期时间及成本的需求。这些晶圆级半导体封装平台包括:CoWoS(Chip on Wafer on Substrate)、集成扇出型封装(InFO,Integrated Fan-Out)、无凸块底层金属整合与技术(Under-Bump-Metallurgy Free Integration,UFI)。

其中,整合型扇出(InFO)于2016年量产,并应用在苹果的A10处理器中,目前已经成为台积电独占苹果A系列处理器订单的关键。

InFO技术发展

InFO技术起源于FOWLP封装。FOWLP封装最早在2009~2010年由Intel提出,仅用于手机基带芯片封装。FOWLP的英文全称为Fan-Out Wafer Level Packaging,简称FOWLP,中文全称为扇出型晶圆级封装,其采取拉线出来的方式,成本相对便宜。FOWLP可以让多种不同裸晶,做成像WLP制程一般埋进去,等于减一层封装,假设放置多颗裸晶,等于省了多层封装,有助于降低客户成本。此时唯一会影响IC成本的因素则为裸晶大小。

相较系统级封装(SiP),扇出型晶圆级封装不仅设计难度低于矽穿孔(Through Silicon Via;TSV)3D IC,且接近2.5D IC概念与相对有助降低成本。2013年起,全球各主要封测厂积极扩充FOWLP产能,主要是为了满足中低价智慧型手机市场,对于成本的严苛要求。FOWLP由于不须使用载板材料,因此可节省近30%封装成本,且封装厚度也更加轻薄,有助于提升晶片商产品竞争力。

台积电(TSMC)在扇出型晶圆级封装领域投入并开发了集成扇出型(Integrated Fan-Out, InFO)封装技术,改变了晶圆级封装的市场格局。随着InFO技术的大规模应用,以及嵌入式晶圆级球栅阵列(eWLB)技术的进一步发展,一批新厂商和扇出型晶圆级封装技术可能将进入市场。台积电的扇出型晶圆级封装解决方案被称为InFO,已用于苹果iPhone 7系列手机的A10应用处理器封装,其量产始于2016年。

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技术特点

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用于图形处理器和网络等应用的芯片封装。


InFO技术结构

2016年说是扇出型封装市场的转折点,苹果和台积电的加入改变了该技术的应用状况,可能将使市场开始逐渐接受扇出型封装技术。扇出型封装市场将分化发展成两种类型:

(1)扇出型封装“核心”市场,包括基带、电源管理及射频收发器等单芯片应用。该市场是扇出型晶圆级封装解决方案的主要应用领域,并将保持稳定的增长趋势。

(2)扇出型封装“高密度”市场,始于苹果公司APE,包括处理器、存储器等输入输出数据量更大的应用。该市场具有较大的不确定性,需要新的集成解决方案和高性能扇出型封装解决方案。但是,该市场具有很大的市场潜力。

FOWLP可满足更多I/O数量需求,如果要大量应用FOWLP技术,首先必须克服以下之各种挑战问题:

(1)焊接点的热机械行为:因FOWLP的结构与BGA构装相似,所以FOWLP焊接点的热机械行为与BGA构装相同,FOWLP中焊球的关键位置在硅晶片面积的下方,其最大热膨胀系数不匹配点会发生在硅晶片与PCB之间。

(2)晶片位置之精确度:在重新建构晶圆时,必须要维持晶片从持取及放置(Pick and Place)于载具上的位置不发生偏移,甚至在铸模作业时,也不可发生偏移。因为介电层开口,导线重新分布层(Redistribution Layer; RDL)与焊锡开口(Solder Opening)制作,皆使用黄光微影技术,光罩对准晶圆及曝光都是一次性,所以对于晶片位置之精确度要求非常高。

(3)晶圆的翘曲行为:人工重新建构晶圆的翘曲(Warpage)行为,也是一项重大挑战,因为重新建构晶圆含有塑胶、硅及金属材料,其硅与胶体之比例在X、Y、Z三方向不同,铸模在加热及冷却时之热涨冷缩会影响晶圆的翘曲行为。

(4)胶体的剥落现象:在常压时被胶体及其他聚合物所吸收的水份,在经过220~260℃回焊(Reflow)时,水份会瞬间气化,进而产生高的内部蒸气压,如果胶体组成不良,则易有胶体剥落之现象产生。

InFO封装业者

2016年之前,集成扇出型封装(InFO)只有台积电能够生产!目前,除了台积电之外,长电科技利用(JCET)旗下的STATS ChipPAC(新加坡星科金朋)也在从事扇出型封装技术的开发;ASE(日月光集团)则和Deca Technologies合作从事M系列扇出型晶圆级封装业务。其他业者有Amkor(安靠科技)、SPIL(矽品科技)、Powertech(力成科技)以及韩国三星。