iPhone7上的秘密武器，完全解码扇形封装

2016-10-23 23:19:00 来源: 互联网

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从今年年初就传出，苹果将在iPhone 7上的A10处理器和天线开关模组使用扇形晶圆级封装（Fan-out Wafer Level Packaging，简称FoWLP）技术取代传统PCB，而A10的制造商台积电正式FoWLP技术的领先者。在台积电内部，他们把FoWLP称作InFoWLP，其中In代表integrated，也就是集成的意思。如无意外，FoWLP将如约出现在iPhone7上。

研究机构Yole Developpement指出，2016年是扇出封装发展史上的重要转折点。在苹果(Apple)与台积电的领导下，已发展多年的扇出封装技术未来将被更多芯片业者采纳。

Yole先进封装与制造分析师Jerome Azemar表示，对扇出封装技术发展而言，2016年是重大转折点的原因有三：第一，苹果处理器的采用，为扇出封装创造出庞大的需求量，奠定规模经济的基础；第二，在台积电的技术突破下，扇出封装技术可支援的I/O数量大增。在此之前，扇出封装主要锁定的都是I/O数量较少的应用。第三，苹果可望发挥示范作用，吸引其他芯片业者加入使用扇出封装的行列。

扇出型封装的市场营收预测（按市场类型划分）

Yole进一步预估，未来扇出封装可能会分成两种典型应用，其中之一是一般的单芯片的扇出封装，主要应用是基频处理器、电源管理、射频收发器等芯片。这是扇出封装的主要市场。另一个主流则是高密度扇出封装，主要针对应用处理器、记忆体等具备大量I/O接脚的芯片。Yole认为，前者是稳定成长的市场，后者则还需要搭配出更多新的整合技术，因此发展上还有些不确定性，但未来的成长潜力非常巨大。

既然前景那么看好，我们有必要对FoWLP有深入的了解

什么是扇形晶圆级封装？

理论上，晶圆级封装由于不需要中介层(Interposer)、填充物(Underfill)与导线架，并且省略黏晶、打线等制程，因此能够大幅减少材料以及人工成本；除此之外，WLP大多采用重新分布(Redistribution)与凸块(Bumping)技术作为I/O绕线手段，因此WLP具有较小的封装尺寸与较佳电性表现的优势，目前多见于强调轻薄短小特性的可携式电子产品IC封装应用。

WLP封装优点包括成本低、散热佳、电性优良、信赖度高，且为芯片尺寸型封装，尺寸与厚度皆可达到更小要求等。WLP封装另一项优势在于封装制程采取整批作业，因此晶圆尺寸越大，批次封装数量越多，成本能压得更低，符合晶圆厂由8吋转进12吋发展趋势，WLP专业封测厂利润空间也可提高。

晶圆级封装的优势

传统的WLP封装多采用Fan-in型态，应用于低接脚(Pin)数的IC。但伴随IC讯号输出接脚数目增加，对锡球间距(Ball Pitch)的要求趋于严格，加上印刷电路板(PCB)构装对于IC封装后尺寸以及讯号输出接脚位置的调整需求，因此变化衍生出扩散型(Fan-out)与Fan-in加Fan-out等各式新型WLP封装型态，其制程甚至跳脱传统WLP封装概念。

Fan-In WLP与Fan-Out WLP的结构比较图

Fan-Out WLP技术是先将芯片作切割分离，然后将芯片镶埋在面板内部。其步骤是先将芯片正面朝下黏于载具（Carrier）上，并且芯片间距要符合电路设计之节距（Pitch）规格，接者进行封胶（Molding）以形成面板（Panel）。后续将封胶面板与载具作分离，因为封胶面板为晶圆形状，又称重新建构晶圆（Reconstituted Wafer），可大量应用标准晶圆制程，在封胶面板上形成所需要的电路图案。由于封胶面板的面积比芯片大，不仅可将I/O接点以散入（Fan-In）方式制作于晶圆面积内；也可以散出（Fan-Out）方式制作于塑胶模上，如此便可容纳更多的I/O接点数目。

Fan-out WLP构装技术

Fan-out WLP的市场现状

大家都知道台积电本身是一个晶圆代工厂，但其实很多年前，台积电就布局封测产业。当时业界还为台积电的布局所震惊，而到了现在也是收成的时候了。

很多年前，台积电就透露已延伸于高阶封测的布局，有意力拱InFO(Integrated Fan-out)作为次世代大宗量产产品的主流封测技术，此举在封测产业投下震撼弹。

业界评估，台积电跨足低成本的InFO产品线，应将着眼于手机应用处理器(AP)所采用的PoP封装市场，现已有至少4家重量级客户正评估或即将采纳此方案，将成为目前主流封装厂的强劲威胁。

台积电原本在高阶封装技术上，定调将以CoWoS(Chip on Wafer on Substrate)作为2.5D/3D IC重点研发方向，不过CoWoS因价格过高而为人诟病，近来在客户端的进展并不显著。为了取得主流应用产品，台积电近年来也积极开发Fan-out PoP技术，首波攻势便将聚焦于手机AP与存储堆叠的PoP封装型态，而目前也已经成功夺得众家手机芯片重点厂商的关注。

封测业者指出，Fan-out最显著的优势就是可以省去载板，因而成本可以较传统的PoP封装至少下滑约2~3成以上，大幅节省芯片封装的成本，并可以应用于手机AP或其他RF、电源管理IC等大宗应用市场，这足以说明台积电想要抢快推出Fan out技术的意图。

业界普遍看好Fan-out技术在进入量产后，将有相当潜力来取代传统的覆晶封装如FCCSP、FCBGA等，因此，早在台积电宣布之前，近3年各家专业封测厂包括新科金朋(Stats ChipPAC)、艾克尔(Amkor)、硅品、日月光等，均已将Fan-out技术或者系出同源的内埋载板技术纳入先进制程蓝图中。

台积电购入高通龙潭厂后，正密集改造成该厂区，目标成为台积电先进封测重镇。台积电正积极购入先进封测设备，上周董事会通过核准1,253.58亿元资本预算，加速先进制程及封装产能扩充及布建。

半导体设备厂表示，台积电将以提供具成本优势的InFO先进封装，提供主力客户苹果从晶圆代工到后段封测的统包服务，其中，单是为苹果提供的月产能即高达8.5万至9万片。

三星为了和台积电角逐，也在跟进这个技术。

根据韩国英文媒体《THE KOREA TIMES》的报导，目前三星正研发新的扇形晶圆级封装技术，以企图在与台积电（TSMC）的激烈竞争中，多取得苹果iPhone智能手机的处理器订单。未来，在该技术成功研发后，在高阶芯片的封装上将不再需要用到印刷电路板，可以使得智能手机未来的设计达到更薄、更高效能的发展。

报导中指出，被称做FoWLP 的扇形晶圆级封装技术，未来将是三星从台积电手中抢回苹果订单的重要利器。报导引述一位匿名的分析师指出，虽然几乎已经笃定，台积电已经成为苹果2016 年将推出新款iPhone 手机（iPhone 7）的处理器制造商。但是，透过FoWLP 的扇形晶圆级封装技术，三星期望在下一代新款iPhone 手机（iPhone 7S）从台积电手中抢回部分的订单。

不过，该名分析师强调，如果三星要从台积电手中抢回部分iPhone 的订单，其关键就在于三星能有多少比例的产能将采用FoWLP 的扇形晶圆级封装技术。因为，现阶段相对于三星来说，台积电未来将持续保有50% 到60% 的产能采用晶圆级封装技术。据了解，未来若采用三星的FoWLP 扇形晶圆级封装技术之后，将可为新款手机降低超过0.3 毫米厚度，以及提升30% 以上的手机总体效能。

报导中还强调，根据韩亚金融投资的一份报告中指出，继台积电之后，三星也新发展扇形晶圆级的封装技术，有助于减低该公司在先进电路连接（ACI）上的投资，间接减少了三星集团减少对中长期潜在的风险。不过，该报告仍质疑三星的扇形晶圆级封装技术要到2017 年上半年才能大量生产，而台积电的晶圆级封装技术，则从2016 年第3 季开始就将开始量产嵌入式芯片，这时间点上对三星来说仍是处于劣势。

除了台积电和三星之外，STATS ChipPAC（新加坡星科金朋）将利用JCET（江苏长电科技）的支持进一步投入扇出型封装技术的开发（2015年初，江苏长电科技以7.8亿美元收购了新加坡星科金朋）；ASE（日月光集团）则和Deca Technologies建立了深入的合作关系（2016年5月，Deca Technologies获日月光集团6000万美元投资，日月光集团则获得Deca Technologies的M系列扇出型晶圆级封装技术及工艺授权）；Amkor（安靠科技）、 SPIL（硅品科技）及Powertech（力成科技）正瞄准未来的量产而处于扇出型封装技术的开发阶段。

Fan-out WLP面临的瓶颈

虽然Fan-Out WLP可满足更多I/O数量之需求。然而，如果要大量应用Fan-Out WLP技术，首先必须克服以下之各种挑战问题：

Fan-Out WLP面临的挑战

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

(2)芯片位置之精确度: 在重新建构晶圆时，必须要维持芯片从持取及放置（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（Dielectric Film）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，所以对于芯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。

而由于传统Fan-Out WLP是在含有芯片（Chip）及铸模(Molding)的表面进行布线（Routing），如图6所示，在芯片朝下作灌胶铸模时，可能会有胶液渗透（Mold Flash）到芯片边角，当胶液覆盖到芯片的接合垫（Bonding Pad）时，将会造成良率上之损失。如果硅芯片与铸模的交接过渡区（Transition Zone）不平顺，以及硅芯片与铸模的热膨胀系数不同，会对重新布线（Redistribution Layer; RDL）结构产生应力引发之可靠度问题（Stress Induced Reliability Issue）。