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扇出型封装技术的发展与前景

发布日期:2020年09月06日    浏览次数:67

随着半导体小型化以及5G应用的升温,扇出型封装受到了广泛的关注。扇出型封装有高密度和低密度两种。低密度封装是指I/O数量小于500个、线宽和间距大于8um的封装类型。通常用于电源管理IC和一些射频模组,而高密度的扇出形封装,如TSMC InFO是市场的统治者。扇出形封装并非是一种很新的技术,2000年代中期Freescale和Infineon分别推出了业界的首批扇出型封装。2006年Freescale引入了RCP(Redistributed Chip Package),2010年Freescale授权Nepes使用RCP生产雷达和物联网模块。Infineon的eWLB是为手机的基带芯片设计的,目前仍有一个200mm的eWLB生产线用于生产雷达模块。2007年, Infineon将技术授权给ASE,一年后又statschipack签订类似协议,后来又授权给了Nanium, Nanium后来被Amkor收购。此外,SPIL正在开发一种TPI-FO技术(SPIL已被ASE合并)。ASE与Deca(Cypress Semiconductor子公司)一起致力于另外一种低密度扇形技术,称为M-Series。国内封测厂天水华天开发了eSiFO技术,硅晶圆刻蚀后,晶片逐颗放入,随后被封起来。JCAP开发了FO ECP技术。JCAP是JCET的一部分,JCET收购Statschipak。真正让Fan-out技术火起来的是2016年TSMC将InFO技术用于苹果A10处理器的量产,使得该市场规模2017年增长了3.5倍而备受关注。

扇出型技术分为晶圆级扇出型和板级扇出型技术。目前量产的大多为晶圆级扇出型产品,板级目前尚面临众多挑战,各大公司均在开发中。这里“扇出”的概念是相对“扇入”而言。“扇入”RDL只能向内走线,当I/O数量达到200左右,层间间距在0.6mm时,扇入式封装就有些力不从心了。但在扇出型封装中,RDL既可以向内走线,也可以向外走线,从而可以实现更多的I/O,以及更薄的封装。

扇出型封装工艺主要分为Chip first 和Chip last 两大类,其中Chip first又分Die down和Die first两种,各种工艺的工艺流程如下图所示:


扇出型技术面临的主要挑战就是晶圆的翘曲以及芯片偏移问题,给后续的RDL光刻和对准带来了挑战。RDL的制备主要通过两种方法:一种是曝光机光刻,一种是激光成像/烧蚀。 曝光机目前有两种:一种是掩膜对准曝光机(Aligner),一种是步进式曝光机(Stepper)。其中掩膜对准曝光机很难达到3μm以下的线宽和线距,更先进的应用将转为步进式的光刻机。目前5um/5um线宽线距生产几乎没有任何问题,2um/2um范围的RDL也在生产中,1μm/1μm以下挑战则较大。 激光直接成像(Laser Direct Imaging)是另一种用于封装的光刻技术。激光成像类似于直写或无掩模(maskless)光刻。它不需要直接使用掩模版就能实现在芯片上进行加工,因此削减了封装成本。激光成像可以解决扇出型封装中的芯片偏移问题。

目前,扇出型封装已经成为热点方向,国际大厂纷纷加大布局。2019年4月22日,三星电子收购三星电机的半导体扇出型面板级(FOPLP)事业。2016年5月ASE与Deca建立了深入合作。2017年2月Amkor收购Nanium加强布局扇出型封装。2017年2月Veeco收购扇出型封装光刻设备领导者Ultratech。2018年9月,台湾力成全球首座FOPLP制程的量产基地动土,总投入500亿元。中国企业也积极跟进,2017年9月华进半导体FOWLP项目落地徐州。2018年9月南通通富微电子有限公司投资25.8亿启动二期项目建设,新建扇出型封装生产线。2018年11月,华天科技(昆山)电子有限公司与江苏微远系统技术有限公司合作开发毫米波雷达芯片硅基扇出型封装获得成功。长电亦拥有扇出型技术。

Fan-out技术的应用比较广泛,对于I/O数目比较少,RDL线宽线距通常大于10μm,可用于PMIC/RF/WIFI/PA/Audio等领域。智能手机/平板中应用处理器和基带可以采用FO-PoP形式,RDL线宽线距通常在5~10μm之间。高端主要应用在高性能计算、网络、数据服务器等,其RDL线宽线距通常小于10μm。Fan-out技术除了封装尺寸较小、较薄以外,可以用较细的RDL,得高的I/O密度以及带宽。

目前,5G热度空前,5G高频器件对于传输损耗要求变高,扇出形封装由于可以减小器件的互连距离,应用前景广阔。预计,2019年到2024年期间,扇出封装市场规模预计将以19%的复合增长率(CAGR)增长至38亿美元。


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