模块封装将通过半导体工艺技术而改变--xhat的笔记

过去通常直接组装到PCB板上的元器件，现在都集成到小型的单一封装基板——模块基板上，所构成的SiP(系统级封装)或RF模块等各种各样的功能模块已经越来越多地应用到电子设备中。模块基板是用于连接半导体器件和PCB板的部件，其尺寸、形状同封装的大小相当。具体来说，模块基板包括BGA基板、SiP及MCM(多芯片模块)基板、TAB(tape-automatedbonding)基板等。面向蓬勃发展的模块基板市场，半导体厂商及元器件生产商正在不断地提出新的技术方案。
OKI(冲电气工业)公司正致力于整合其传统的半导体业务。公司以“e功能模块”为口号，在2007年10月创立了新的高密度模块封装业务，希望能够实现具有高集成度的小型模块。OKI公司经营推进本部e功能模块业务推进部门策划责任部长上田佑次表示：“目前，有越来越多的设备厂商希望自己能够将更多精力投入在核心元器件的开发工作上，而把外围电路的设计委托给其他厂商制成模块。这样，设备商便能够缩短开发周期，并有利于横向拓展自己的产品系列。”
　　
　　模块封装技术决定性能
　　
　　随着模块化的发展，传统PCB主板的作用将改由模块基板来承担。于是，模块封装技术今后将会在很大程度上影响产品的性能。
NEC电子公司推出的PFESiP，可将以往分别提供的门阵列和通用微控制器集成到一个封装里。用户可以将PFESiP当作特别定制的微控制器加以利用，也能够方便地对噪声采取应对措施。门阵列和微控制器之间采用了直接键合连接，在设计时预先降低了输入/输出缓冲器的驱动能力。公司表示，与将门阵列和微控制器分别装入不同封装再组装到PCB板的情况相比，PFESiP内的布线长度较短，因此很容易就能实现几十MHz的数据传输速率。而且，由于减小了噪声源到缓冲器的输出电流，因此，即使总线频率高达几十MHz，也不容易受到噪声的影响。
　　飞思卡尔半导体公司正在推进其独特的封装技术RCP的实际应用。RCP没有使用模块基板，而是利用半导体工艺将许多芯片及片状无源元器件集成在一起。该公司认为这种技术有利于降低成本，希望它能够成为模块封装的行业标准。
采用LTCC基板的模块厂商村田制作所也在致力于扩大这种业务。村田制作所通信模块产品事业部部长中岛规巨表示：“今后，我们打算扩展模块产品的应用。为此，我们将准备好现在能考虑到的所有模块基板技术。”到目前为止，村田制作所的模块业务的核心主要是RF电路，但今后，其应用范围可能会向DSP、电源控制及音频等领域扩展。该公司正在加快各种模块基板的实际应用进程，以便根据不同的应用选择适合的封装技术。
　　
　　要求越来越严格
　　
　　模块基板具有两个作用：一是集成各种各样的元器件以实现特定的功能，二是在引脚间距不同的芯片和PCB主板之间作为转接板(interposer)使用。
随着芯片制造工艺的进步，芯片的面积会变小，成本也会相应下降。但是，对于转接板来说，芯片工艺的发展却是其成本上升的主要原因。比如，当存储器容量由于工艺发展而增大，而且逻辑电路的处理能力也相应提高时，存储器和逻辑电路之间的总线宽度就需要增加，从而导致转接板的布线密度上升。实际上，布线宽度/布线间隔在20μm/20μm以下、布线层数为6-8层的高性能转接板，不仅在服务器等高端设备中，甚至在消费类设备中也已经得到了广泛应用。
　　但是，对于树脂基板的制造技术来说，这种20μm/20μm微细加工产品的成品率难以提高，而且成本很高。此外，布线层数的增加也导致成本上升。于是，用户提出要求，如果转接板的成本太高，就希望能够将其作为高集成度的小型功能模块使用，而不仅仅是布线的转接器。
为了满足这样的要求，各公司都积极提出了可实现高密度模块基板的封装技术方案。具体来说，新方案包括：①使用硅转接板，在硅芯片上制作各电路之间的连接线；②使用晶圆级封装，在半导体制造工艺的最后工序中对硅芯片以及元器件之间的连接进行再布线；③使用可埋置元器件的基板，将集成电路及无源元器件埋置到树脂基板里；④使用LTCC基板，利用布线层及绝缘层将薄膜状的无源元器件集成入基板内部。
　　
　　重新评估硅转接板
　　
如果树脂基板的加工技术很难实现20Bm/20Bm的微细加工，那么，可以考虑在易于进行微细加工的硅芯片上制作布线电路。基于这种构思而制成的电路基板就叫做硅转接板，但由于其制造成本太高，所以应用范围有限。不过，因为树脂基板的加工精度已经达到极限，导致成本上升，所以，这种构思渐渐有了现实意义。实际上，如果能够使用0.35μm或0.5μm等成熟的半导体工艺以高成品率生产布线宽度为1μm左右的硅转接板，就有可能降低成本。
　　本来，硅转接板是作为实现适用于高速存储器总线的SiP的一种手段而提出来的方案。它能够缩短布线长度，减小布线宽度，有利于抑制在高频信号中容易产生的布线寄生电容偏差及布线长度不一致等现象，以简化高频电路的设计。如果能够解决成本过高的问题，硅转接板肯定会具有广阔的应用前景。
　　于是，日本TAG(TechnologyAllianceGroup)提出一种被称为PerfectSoC的模块封装技术，该技术将简单的逻辑电路、模拟电路及无源元器件等集成到硅转接板中，并将其与ASIC和存储器组合，再封装在一起。
PerfectSoC模块采用0.5μm的半导体工艺制造，模拟电路也很容易制作在内，耐压高达7V。其中，还集成有开关稳压器或LDO稳压器这样的电源电路。这些电源电路的面积很大，而且是噪声源，通常无法集成人一般的逻辑电路中。TAG此次开发的芯片(硅转接板)面积比较大，而且是与ASIC分离的另一块芯片，因此能集成电源电路。
　　封装内将存储器及CPU等ASIC层叠在集成了外围电路及元器件的硅连接板上，并利用引线键合连接的方式构成模块。TAG表示，以前安装在主板上的100-200个元器件都可以集成到一个封装里，封装面积可以削减约80％以上。ASIC及存储器可以由客户自己准备或采用通用产品，硅转接板内集成的外围电路是由TAG提供的IP核，因此，预计从确定技术规格到实现量产大致需要半年左右的时间。
　　
　　在硅基板上集成无源元器件
　　
村田制作所在其面向高性能手机的WLAN模块中，采用了在硅转接板内集成无源元器件的IPD(集成无源器件)技术。其目的是为了满足用户的要求：在把RF电路和基带电路装入一个封装中时，希望能将无源元器件也集成人封装内，[newpage]　　此外，东芝公司也在CEATECJAPAN2007展会上展出了硅转接板产品。在这款布线宽度/布线间隔为1μm/1μm的硅转接板上，使用间距为40μm的引脚连接了逻辑芯片和4个存储器芯片。据介绍，这款硅转接板将从2008年上半年开始投入量产。目前，该公司正在讨论的问题包括：今后如何在硅转接板中制作无源元器件，如何将片状元器件装到硅转接板上等。
　　
　　硅贯通电极和模块技术
　　
但是，硅转接板还存在几个问题有待于解决。首先，硅转接板中可集成的元器件有一定的限制。具体来说，在村田制作所的IPD中，无源元器件是利用薄膜工艺制作的，可埋置的电感和静态电容很小，分别只有几十nH和几十pF。而在TAG的PerfectSoC中，目前还不能集成电感器。
　　另一个问题是，如果不能进行大批量生产，就很难显示出成本低廉的优点。根据村田制作所的估算，当IPD的出货量达到100万个以上时，其成本才能勉强达到和其它模块封装技术相当的水平。目前，IPD只适合于那些优先考虑薄度而不太计较成本的应用。
　　TAG则试图提高外围电路的通用性以降低成本。如果同样是面向数码相机应用的模块，其用途相同，只是使用的ASIC不同，那通过实现硅转接板的通用化就可以增大产量，从而控制成本。
第三个问题是，大多数情况下，硅转接板是和用树脂制成的转接板一起使用的。硅转接板是将布线层面向层叠着硅芯片的一侧，在和主板连接的一侧(背面)没有引脚。因此，一旦要将硅转接板装在树脂制成的转接板上，就得使用引线键合进行连接。在这种情况下，就必须尽可能地在硅转接板内部进行布线，以削减树脂制成的转接板的层数，实现控制成本的目的。
　　上述第三个问题，可以利用在芯片中垂直通过布线的硅贯通电极予以解决。采用硅贯通电极后，就可以在硅芯片的两面设置布线层，并通过硅贯通电极连接那些布线。硅贯通电极已经开始接连不断地应用到面向便携设备的相机模块中。东芝公司在CMOS相机模块CSCM中采用了硅贯通电极。OKI公司也从2007年9月起开始生产采用硅贯通电极的摄像元器件模块。
　　在相机模块中，为了实现小型化，在采用硅贯通电极的摄像元器件上配置了透镜保持器，从而省去了模块基板。跟以前采用引线键合连接摄像元器件和基板的方法相比，两家公司都认为实现了小型化的目的。东芝公司表示，体积缩小到64％左右；OKI公司表示，封装面积减小到50％以下。
　　TAG执行董事电子器件事业部PerfectSoC项目室室长小山田成圣表示，今后如果能够以10万日元(约合6800元人民币)的低成本在晶圆上实现硅贯通电极，那么在硅转接板中就有可能使用硅贯通电极。
　　
　　只有布线利用半导体工艺实现
　　
如果转接板的布线变成了瓶颈，那么，可以在半导体工艺的最后工序中重新制作芯片之间的布线，以替代转接板。采用这种构思的是飞思卡尔半导体公司的RCP(重分布芯片封装，redistributedchippackage)。在RCP中，芯片被排列成直径200mm的硅晶圆大小，并使用树脂固定，再利用半导体工艺在芯片之间重新布线，以制作成独立的芯片。连接半导体器件和PCB主板的任务，就由这个重新形成的布线层承担。该公司准备有两种布线宽度/间隔的尺寸，分别是30μm/30μm和25μm/25μm。公司表示，这种工艺不属于微细化工艺，所以加工难度不高，成品率很高。
　　在制作RCP时，是将排列好的多个芯片及无源元器件用树脂固定，再制成SiP或模块。因为使用树脂固定之后还要在背面重新布线，因此能够弥补元器件高度的差异。另外，如果可以在树脂的密封部分中设置贯通电极并在封装的两个表面形成布线层，那么就有可能实现PoP(层叠封装)，即在封装上面层叠其它的半导体器件封装，并且利用下面的引脚和PCB主板连接。此外，RCP本身也可以安装其它的半导体器件封装及无源元器件，以用作模块基板。
　　但是，目前RCP还不是一项普及的封装技术。因此，需要购买几家公司的技术以后才能使用，很不方便。
　　
　　可埋置元器件的基板向薄型化发展
　　
　　随着工艺的发展，可埋置元器件的基板及LTCC基板的厚度也开始接近极限，于是，相关厂商提出了可以弥补现有缺陷的技术方案。
可埋置元器件的基板存在的主要问题是基板的厚度。由于要把无源元器件及芯片等埋置到树脂的绝缘层里，因此基板容易变厚。于是，TDK公司开发出将厚度减薄到300gm的基板，布线层为4层，埋置于其内部的芯片从背面进行研磨后可将厚度减薄到50μm。该公司表示，将以前厚度为200gm的芯片内置到基板中时，基板厚度会达到400μm-600μm，很难将模块的总厚度控制在1mm以下。采用新开发的基板时，和以前相比，厚度可减小20％-30％。据TDK公司估计，可埋置薄型元器件的基板有希望用于wLAN、UWB技术以及OneSegment地面数字电视广播接收等通信模块，在2008年进入实际应用。
　　村田制作所正在开发基板中埋置的薄型元器件，如厚度仅为35μm，封装面积为1.0mm×0.5mm(即0402)的薄型元器件。
　　
　　LTCC基板也在进化
　　
村田制作所的LTCC基板以RF模块为中心，具有低成本的优点。为了适应更多的应用，该公司正在开发增大基板尺寸的技术。由于很难在增加基板面积、保持强度的同时还要实现薄型化，因此村田制作所开发出利用树脂来增强基板的方法。利用这种方法制成的树脂基板被称为“LR衬底”，树脂基板的核心部分采用的是LTCC基板。该公司表示，以前，当LTCC基板的厚度为0.4mm时，面积最大只能做到约15mm²；但在采用“LR衬底”后，即使厚度更薄，也可以确保大约15mm²的面积。
　　村田制作所解释说，布线以及小电容和小电感等元器件均内置于LTCC基板内，所以，其成本低于可埋置元器件的基板，电路和片状无源元器件以及外部引脚则会集成在树脂部分中。(作者：宇野麻由子-字数：2809)