[原创] 拥抱Fan-Out是大势所趋

来源：本文由半导体行业观察翻译自semiengineering，谢谢。

据我们了解，代工厂和OSAT正在开发更先进的fan-out，有些还在封装内部垂直堆叠裸片，一方面填补了低成本fan-out和封装系统之间的中间地带，另一方面也填补了2.5D和3D芯片之间的中间地带。

这些新的fan-out比以前的迭代产品具有更密集的互连，在某些情况下，它们包括多个布线层彼此堆叠在一起。台积电数月前已经拥有了这种堆叠技术，包括集成Fan-Out（InFo），现在，一些OSAT也正在采用自己的版本。

直到最近，fan-out几乎完全被视为低成本的高级封装选择，它基本上缩小了原本可以在PCB上找到的元件，并将所有元件都放在一个封装中。这种方法有许多优点。首先，把所有元件都放进小封装可以降低材料成本。其次，通过缩短信号传输距离，与更大的、完全集成的SoC相比，性能会提升，同时驱动这些信号所需要的电量也会下降。第三，通过将不同节点开发的芯片集成到同一器件中，芯片制造商可以优化布局规划，以减少诸如串扰、电源噪声和电迁移等物理效应。

这并不意味在低端fan-out的工作在减少。事实上，情况正好相反。新的EDA工具和流程正在开发和推出，面板级封装方法也适用于具有足够产量的器件。但高端fan-out将这种封装方式推向了一个新的方向，重点在于减少线路和空间以获得更高的密度，并显着提高性能。虽然大多数fan-out都有8μm以上的线路和空间，但是在新器件中可能会低至2μm。（线路和空间是金属轨迹的宽度和间距。）

图1：低密度fan-out vs高密度fan-out。  （来源：ASE/SEMI行业战略研讨会）

Advanced Semiconductor Engineering（ASE）高级工程总监John Hunt表示：“大家都在考虑推出低端解决方案，但我们也将其视为高端解决方案。对于制造fan-out，你可以把一个芯片直接放在另一个芯片上。这对光子来说很好，因为大家希望它在50μm以内。你也可以使用fan-out作为裸片基板的替代品，因此你可以将芯片翻转到封装上。这样便可以让热量向下传递，跟向上传递一样。 ”

亨特表示，“对于fan-out chip-on-substrate技术，它本质上是在基板上整合了多个布线层，也可以在某些应用上替代2.5D。fan-out方法的一大好处是，单一裸片上没有太大的压力。这并不会取代高密度硅中介层，但它将以较低的成本进入市场，并允许公司对硅进行再利用。”

图2：fan-out chip-on-substrate中的多层布线。 （来源：ASE/ISS）

高端fan-out还带来了一种处理困扰垂直堆叠散热问题的新方法。对于单片3D堆叠，如果其中一个逻辑层被封装在另外两个逻辑层之间，那么，在不适用一些特殊的冷却技术（比如微流体）的情况下，中间逻辑层就很难散热。这通常会导致“三明治形状”的逻辑单元部分或全部关闭，并限制了这种封装的优点。但对于双面冷却而言，特别是在基板上有fan-out时，散热问题可以更容易管理。

Amkor公司研发副总裁Ron Huemoeller表示：“InFO将继续以目前的形式作为Apple处理器的集成内存预堆叠封装解决方案。除此之外，目前的方式能走多远还有待观察。在基板上的fan-out将成为行业的新热点，不同形式的低密度和高密度fan-out基板都会出现。”

新市场

2016年，苹果在iPhone 7中采用了台积电的InFO技术应用处理器，此时Fan-out成为了主流。从那时起，Fan-out已用于各种应用，既有手机这种高产量的消费器件，也有汽车这种上市时间、灵活性和性能都很苛刻的应用。

汽车行业对于高级封装而言是一个特别有吸引力的机会，因为传感器和传感器集线器等芯片的最终的样子以及它们需要支持的协议尚有太多的不确定。这些应用中的技术仍在不断发展，这意味着今天开发的产品可能不得不比以往更快地进行修改。电子产品的汽车应用设计周期通常为5到7年。现在，它的日程表同消费电子产品一样。

先进封装可以在这方面提供帮助。它让使用新组件增加现有设计变得更简单，包括不同的内存或内存配置，以及器件最初设计时可能不会使用的其他功能。在这些情况下，先进封装本质上创建了一个平台，在这个平台上可以添加新功能，而不必重新进行整个设计。至少，现在有一些垂直或水平堆叠的芯片是这样。

图3：市场别Fan-out收入预测。 （来源：YoleDéveloppement）

Brewer Science先进封装部业务开发总监Ram Trichur表示：“我们已经在MEMS器件中看到了这些，ASIC和MEMS传感器彼此堆叠在一起。它也用于超过24GHz的高频应用，此处天线链路需要要求封装的大小。使用5G时，频率原因会造成严重损失，因此需要减小不同功能部件之间的距离。使用4G LTE时，天线链路是芯片上的柔性电缆。使用5G和毫米波时，天线长度只有几毫米，因此需要集成到封装中。”

没那么简单

Fan-out已经发展了十多年。到目前为止，还没有一种方法适用于一切。即使是在高端市场，也有许多不同的品种，包括fan-out on substrate和package-on-package fan-out， 以及chip-first和chip-last方法。

Fraunhofer EAS公司研究工程师Andy Heinig表示：“对于低成本和中等成本的应用来说，Fan-out是一项非常好的技术。 但是我们也看到了Fan-out技术的限制。你可以将2-3个布线层放置在fan-out上，但在这一点上，95%都只有一个布线层。如果放置两层的话，产量就会降低。最后，如果你没有98%到99%的产量，设计就不会投产。 ”

Heinig指出，一种方法是开发fan-out层，将芯片放入模塑中。这种所谓的chip-last方法比chip-first方法更灵活、更简单。但是，如果增加更多的布线层，fan-out的成本就会增加，产量也会下降，至少在初期阶段是这样。当所有的因素都被考虑在内时，它可能与中介层的成本相当。

Heinig表示：“对于高端应用而言，fan-out仍无法达到HBM的要求。桥是另一种选择，但也有一些限制。这涉及处理器和内存之间的一小块硅片。如果你有1个HBM堆栈和一个处理器，那么就可以将处理器和内存与桥对接。但是如果你有4个HBM堆栈，那么与桥对接时会出现问题。所以你可以降低芯片的成本，但是有很多步骤来将桥对接。这使得开发成本更高，最终可能比2.5D更昂贵。”

因此，至少在目前，2.5D和高端fan-out将继续重叠。

Amkor公司的Huemoller表示：“2.5D将继续在高性能计算和汽车领域缓慢增长，以满足特定应用的需求。图形驱动仍然是一个主要驱动因素，但多逻辑配置也需要2.5D封装结构来解决AI市场。 随着新产品的增长，多裸片产品将推动封装行业向前发展。在未来几年内，异构集成将全面部署为多种形式，包括SiP、子系统模块、2.5D和各种硅到硅的桥接概念。混合技术在模块化形式下的融合将推动这一趋势的发展。”

行业的买进

无论先进封装有多么困难，但是与把一切都放到最先进节点开发SoC相比，它仍然更简单，更便宜。虽然在引入了finFET的情况下，导致漏电流的短沟道效应在16/14nm处有所减小，但漏电流在10/7nm处又会上升。除此之外，业界还提出了Gate-all-around FET，但随着新晶体管类型与EUV光刻技术一起加入，预计成本将显著增加。

Synopsys公司DesignWare模拟和MSIP解决方案集团的市场营销高级主管Navraj Nandra表示：“在较小的节点上仍有继续整合的趋势。与此同时，人们正在提出封装的解决方案——有的是并排的，有的是用TSV或硅中介层堆叠裸片。这正在成为现实。封装成本足够低廉，以至于不需要非常高昂的费用就可以开发产品。部分原因在于深层神经网络，卷积神经网络和机器学习，特别是在推理方面。”

这不会取代微缩。但它确实提供了一种替代方法，以及一种继续微缩的可能方法。虽然这并不一定是最便宜的解决方案，但它肯定比在最新节点上开发所有东西的成本要低，例如模拟传感器或PHY。

Lam Research公司首席技术官Rick Gottscho表示：“先进封装更多是出于性能原因、降低功耗、外形因素，而非成本。它不会取代微缩，而且会试图从芯片级别获得更高的密度。两者是互补的，都会继续发展。它当然不会取代微缩方法。”

GlobalFoundries先进模块工程副总裁Mark Dougherty对此表示赞同，他表示：“这又回到了并行工作的问题上。如果你观察2.5D和3D的硅通孔的话，它将成为一个非常特定于应用的问题。它不会消除在裸片级别进行微缩的需要，但取决于终端客户所寻求的解决方案，它在此处开辟了更多的可能性。当然有DRAM与逻辑器件结合的情况，也有一项技术与其他技术相结合的情况。所有这些都在发生。但它更多是由应用领域驱动的。”

结论

可用的封装选项在不断增加。虽然这增加了相当多的混淆，但这也表明，仅靠器件微缩会变得太昂贵、太复杂，无法持续几年。我们不再转向半节点，那些在路线图上继续前进的人会直接跳到下一个完整节点，并且他们正在寻求进一步扩展，使得架构选项超出单一的平面裸片。

在这种情况下，更高性能、更密集的fan-out是芯片制造商日益考虑和采用的又一选择。这是3D集成的开始，或仅仅是平台的新替代品，目前还不完全清楚。但是，封装正在变得更加复杂和可定制，这种趋势在可预见的未来可能会持续下去。

原文链接：https://semiengineering.com/toward-high-end-fan-outs/

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