eng
Выпуск #4/2021
Дж. Фергусон, Д. Вертянов, К. Фелтон, И. Беляков, С. Евстафьев, В. Сидоренко, Н. Горшкова
ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОРПУСОВ И МИКРОСБОРОК ПО ТЕХНОЛОГИИ FO WLP СРЕДСТВАМИ САПР MENTOR GRAPHICS. Часть 1
ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОРПУСОВ И МИКРОСБОРОК ПО ТЕХНОЛОГИИ FO WLP СРЕДСТВАМИ САПР MENTOR GRAPHICS. Часть 1
Просмотры: 1935
DOI: 10.22184/1992-4178.2021.205.4.56.64
Применение маршрута САПР MENTOR GRAPHICS дает разработчикам корпусов, микросборок FO WLP все необходимые функциональные возможности, инструменты проектирования и верификации для получения максимальной выгоды от новой технологии корпусирования.
Применение маршрута САПР MENTOR GRAPHICS дает разработчикам корпусов, микросборок FO WLP все необходимые функциональные возможности, инструменты проектирования и верификации для получения максимальной выгоды от новой технологии корпусирования.
Теги: emib fan-in wlp fan-out wlp and fan-in wlp technologies micro-assembly package packaging корпус корпусирование микросборка технологии fan-out wlp
Проектирование корпусов и микросборок по технологии FO WLP средствами
САПР MENTOR GRAPHICS. Часть 1
Дж. Фергусон , Д. Вертянов, к. т. н., К. Фелтон , И. Беляков ,
С. Евстафьев, к. т. н., В. Сидоренко, Н. Горшкова, к. т. н.
Проектирование и верификация корпусов, микросборок FO WLP требуют взаимного сотрудничества между разработчиками, поставщиками аутсорсинговых услуг по сборке и тестированию изделий микроэлектроники (OSAT), производителями полупроводниковых изделий и продавцами САПР. Средства проектирования, которые имеют необходимую интеграцию и функциональные возможности для работы как с ИС, так и с корпусами позволяют уменьшить риски получения ошибок, брака на этапе корпусирования, а также сократить время выполнения заказов для поставщиков компонентов, компаний OSAT и производителей полупроводниковой продукции. Применение маршрута САПР Mentor Graphics дает уверенность в том, что разработчики корпусов, микросборок FO WLP имеют все необходимые функциональные возможности, инструменты проектирования и верификации для получения максимальной выгоды от новой технологии корпусирования, активно поддерживаемой рынком в последние несколько лет.
FOWLP (Fan-out wafer-level packaging – корпусирование кристаллов на уровне пластины с использованием внутреннего монтажа) – это активно развивающийся метод группового корпусирования кристаллов, применяемый как для создания корпусов с одним кристаллом, так и для формирования многокристальных сборок. Метод относится к числу так называемых современных технологий корпусирования (advanced packaging), которые противопоставляются традиционной разварке и позволяют уменьшить габариты изделия, сократить длину соединений между контактами кристалла и корпуса. Кроме FO WLP, к современным методам корпусирования также относятся: Flip-chip-корпусирование, технологии Fan-in WLP, корпусирование посредством внутреннего монтажа кристаллов (embedded die) в коммутационное основание (из металла, диэлектрика, полупроводника), а также создание 2,5D- и 3D-микросборок на основе сквозных отверстий в кремнии TSV (Through Silicon Vias) [1–4].
Среди современных методов корпусирования FO WLP (согласно прогнозу Yole Developpement от 2020 года [5]) занимает одну из лидирующих позиций по среднегодовому темпу роста с показателем 16% в период 2019–2024 годов, уступая лишь TSV (21,3%) и внутреннему монтажу в коммутационные основания (18%). При этом по объему рынка FO WLP значительно превосходит внутренний монтаж (рис. 1) [5].
Одним из ключевых преимуществ FO WLP, особенно по сравнению с близкими технологиями Fan-in WLP, является возможность объединить в малогабаритном корпусе несколько кристаллов интегральных схем, изготовленных по различным технологиям и на основе разнородных материалов (рис. 2). Технология FO WLP позволяет создавать корпуса, которые по площади превышают исходный кристалл. Данный факт не противоречит стремлению к миниатюризации электронных изделий, поскольку именно на дополнительной площади размещаются вертикальные межсоединения, позволяющие создавать на основе FO WLP корпусов трехмерные микросборки. Также дополнительная площадь используется для трассировки кристаллов с большим количеством контактных площадок, позволяя эффективнее перераспределять коммутацию от более плотно расположенных площадок кристалла к менее плотно расположенным контактам корпуса.
Первые коммерчески успешные технологии корпусирования кристаллов на уровне пластины с использованием внутреннего монтажа появились в 2006–2010 годах. Это были технология eWLB (Embedded Wafer Level Ball Grid Array) от Infineon и технология RCP (Redistributed Chip Packaging) от Freescale [6, 7].
Общие сведения о FO WLP
Несмотря на разнообразие решений в области FO WLP, основные этапы процесса корпусирования остаются практически неизменными для разных вариантов технологии.
К ним относятся:
При этом последовательность этапов корпусирования для разных вариантов FO WLP может отличаться. Так, в зависимости от того, как и на каком этапе процесса происходит присоединение кристаллов к носителю, выделяют три варианта технологий FO WLP. Первый вариант – традиционные технологии, в которых кристалл устанавливается активной стороной вниз на адгезив, покрывающий временное основание, в самом начале процесса (рис. 3а) [8]. Именно так изготавливаются корпуса по технологиям RCP и eWLB.
Преимущество данного подхода в том, что полностью исключаются процессы пайки и сварки при формировании соединений корпуса, а также нет необходимости в применении лазерной обработки и специализированных кристаллов.
Альтернативой традиционному подходу является установка кристаллов в начале процесса активной стороной вверх (рис. 3б) [8]. При этом на кристаллах либо должны присутствовать заранее подготовленные проводящие столбики, либо после герметизации с помощью лазера должны формироваться отверстия в компаунде до контактов кристалла.
Третий вариант FO WLP значительно отличается от первых двух, поскольку предусматривает монтаж кристаллов с помощью шариковых микробампов на уже сформированные слои перераспределения (слои формируются на временном носителе) – рис. 3в [8]. Основное преимущество метода состоит в том, что кристаллы не смещаются при герметизации, однако данный вариант не является полностью беспаечным.
В технологиях Fan-in и Fan-out WLP обычно не используются переходные отверстия в кремнии (TSV) или специальные многослойные подложки (как в Flip-chip- или Embedded die корпусировании, например подложки, изготовленные с применением технологии наращивания слоев (build up layers)). При этом в качестве временного носителя обычно применяют именно кремниевую подложку (пластину) или стеклянную прямоугольную панель (в технологиях PLP – panel level packaging). Отказ от TSV и дополнительных подложек не только уменьшает конечную стоимость продукции, но и позволяет компаниям изготавливать корпуса и микросборки с улучшенными электрическими и массогабаритными параметрами.
Технология FO WLP послужила основой для формирования направления 3D WLP-микросборок и реализации конструкций типа «корпус на корпусе» (PоP), которые позволяют значительно повысить уровень интеграции электронных устройств. Это стало возможным благодаря применению сквозных переходных отверстий в корпусе (TPV).
В отличие от сквозных отверстий в кремнии, TPV имеют характеристики, схожие с традиционными переходными отверстиями, что позволяет не переживать за надежность и увеличение стоимости. Кроме того, TPV меньше подвержены индуктивному и тепловому воздействию по сравнению с TSV, а также значительно дешевле в производстве.
Методы формирования межуровневой коммутации в технологиях 3D WLP схожи друг с другом. Почти все они основаны на создании сквозных отверстий в компаунде по периферии WLP-корпуса (именно на тех участках, которые выступают за пределы границ кристалла), заполняемых впоследствии проводящим материалом. Различия в данных технологиях определяются в основном методами обеспечения электрического контакта. Так, технология WL FO (wafer-level Fan-out) от Amkor technologies предполагает создание с помощью лазера отверстий в компаунде до слоев коммутации на нижней стороне корпуса и последующее заполнение этих отверстий припойной композицией (рис. 4а) [9, 10].
Компания Stats Chip создает межуровневую коммутацию похожим способом, только вместо заполнения припоем в полученных с помощью лазера отверстиях формируют шарики (рис. 4б) [9, 10]. Компания Infineon для создания межуровневых соединений использует процессы металлизации компаунда, в результате которых на стенках отверстий формируется слой меди, достаточный для обеспечения надежного электрического контакта.
Такие межуровневые соединения носят название сквозных отверстий в инкапсулянте (TEV) – рис. 4в [9, 10]. Оригинальную технологию формирования межуровневой коммутации под названием InFo (Integrated Fan-out) разработала компания TSMC.
Межуровневая коммутация в данной технологии реализуется не с помощью металлизированных или заполненных припоем отверстий, а с помощью медных столбиковых выводов, называемых TIV (Through InFo Via) – рис. 4г [9, 11].
Сборка типа PоP обеспечивает меньшие размеры изделия, что позволяет разработчикам без особого труда выполнять требования по высоте изделий и применять широкий спектр сторонних кристаллов DRAM в одном корпусе с основной микросхемой. Учитывая меньшие габариты, пониженную мощность и более высокие характеристики сборок PоP [12], легко понять растущую популярность FO WLP.
Смартфоны и беспроводные мультимедиа-устройства стали первыми крупными коммерческими сегментами, в разработке которых применили FO WLP, например в микропроцессорах мобильных телефонов iPhone компании Apple. Микропроцессоры Apple A10, А11, A12 изготавливаются по InFo-технологии от компании TSMC (рис. 5) [13].
Преимущества FO WLP
FO WLP имеет много преимуществ по сравнению с традиционными технологиями корпусирования:
В то время как кремниевые 2,5D- и 3D-технологии конкурируют с FO WLP, многие в отрасли рассматривают их как параллельные технологии для разных рынков и различных задач применения. Так, например, FO WLP часто считают более подходящим решением для мобильных устройств, радиочастотных изделий и автомобильной электроники, в то время как 2,5D- и 3D-микросборки на основе кремния с TSV-отверстиями лучше всего подходят для памяти, ПЛИС и графических / центральных процессоров.
Технологии FO WLP
Следующим шагом после решения использовать FO WLP является выбор конкретного способа изготовления, то есть технологии.
Первой коммерческой и доступной FO WLP технологией стала технология корпусирования кристаллов на уровне пластины с применением массива шариковых выводов eWLB от компании Infineon.
Процесс сборки микросхем непосредственно на кремниевой подложке в технологии eWLB не ограничен размерами кристаллов, что дает разработчикам гибкость в использовании практически неограниченного количества соединений между корпусом и промежуточной подложкой для обеспечения максимальной плотности. Компания Infineon решила лицензировать свой технологический маршрут eWLB, поэтому теперь он доступен у большинства ведущих поставщиков аутсорсинговых услуг по сборке и тестированию изделий микроэлектроники (OSAT).
Однако это привело к тому, что OSAT-компаниям очень трудно конкурировать между собой, когда все они применяют один и тот же технологический маршрут, ценообразование которого ограничено стоимостью лицензирования. В результате все крупные аутсорсинговые OSAT-компании поддерживают технологию корпусирования eWLB, но при этом часть из них также предоставляет альтернативные запатентованные процессы.
Таким образом, eWLB – далеко не единственная FO WLP технология на рынке. Группа из нескольких компаний организовала консорциум высокоплотных технологий FO WLP под руководством A*Star (Сингапурская научно-исследовательская компания), в состав которой вошли компании Amkor, Nanium, STATS ChipPAC, NXP, GLOBALFOUNDRIES, Kulicke & Soffa, Applied Materials, Dipsol, JSR Micro, KLATencor, Kingyoup, Orbotech и TOK [14]. Цель данного консорциума – исследование проблем, связанных как с технической реализацией, так и с оптимизацией стоимости производства высокоплотных корпусов, микросборок по FO WLP и поиском лучших производственных решений для быстрого внедрения данных технологий в электронной отрасли. За последние несколько лет консорциум разработал две высокоплотные технологии корпусирования: mold-first и RDL-first / chips-last.
Например, технология SWIFT (silicon wafer integrated fan-out technology) фирмы Amkor имеет ряд уникальных особенностей, нетипичных для традиционных корпусов интегральных схем, таких как использование диэлектриков на основе полимеров; использование нескольких типов кристаллов; применение кристаллов больших размеров; плотность межсоединений до 2 мкм на линию (недопустимо для SoC-изделий); межслойные соединения с шагом до 30 мкм; возможность использовать TMV (Through Mold Via – сквозные металлизированные отверстия в компаунде) или медные столбики (как в технологии TIV от TSMC в процессорах A10, 11). Недостаток данной технологии заключается в необходимости использовать дополнительный кремниевый компонент (например, кремниевый интерпозер, но без TSV-отверстий). Поскольку OSAT-компании не могут производить кремниевые компоненты, они вынуждены пользоваться услугами сторонних производителей. Варианты наиболее известных FO WLP технологий, предлагаемые OSAT-компаниями [15], перечислены в табл. 1.
Фабрики по производству микросхем также обратили внимание на рост популярности решений на основе технологий FO WLP. Компания TSMC, вышедшая на рынок со своей технологией InFO WLP [16], сертифицировала ее для корпусирования кремниевых кристаллов собственного производства для различных размеров корпусов: 8 × 8 мм2 (позволяет монтировать один или несколько кристаллов с количеством входов / выходов до 600), 15 × 15 мм2 (поддерживает до 2 000 входов / выходов) и 30 × 30 мм2 (поддерживает до 3 600 входов / выходов).
В одном из вариантов технологии InFO, известном под названием integrated fan-out package-on-package (InFO-PoP), кристалл DRAM монтируется над FO WLP с использованием технологии TPV (в TSMC называют ее «переходные отверстия», through-InFO или TIV) (рис. 6). Другой вариант технологии, называемый InFO-M, поддерживает размещение одновременно нескольких кристаллов.
Компания Intel Custom Foundry недавно представила собственную технологию под названием EMIB (embedded multi-die interconnect bridge) как новый экономически выгодный подход к сборке гетерогенных микросхем с высокой плотностью межсоединений (рис. 7) [17].
Несмотря на то, что данная технология не является прямым аналогом FO WLP, она позволяет избежать использования TSV-отверстий за счет замены больших и сложных интерпозеров на «кремниевые мосты» (небольшие элементы с высокой плотностью коммутации, выполненные из кремния), что позволяет создавать межсоединения между интерфейсами кристаллов с малым шагом. Существует также информация, что Intel разрабатывает полноценную FO WLP технологию.
С включением в состав консорциума фабрик по производству микросхем, у разработчиков корпусов появилась новая тема для обсуждения: компании OSAT против фабрик по производству микросхем. Основные преимущества, предлагаемые фабриками: более быстрое время изготовления за счет совместного использования производственных линий; единое место для связи и предоставления услуг; специализированное оборудование; десятки лет опыта и предоставление полного набора комплекта библиотек для разработчиков. Например, компания TSMC, занимаясь внедрением технологии InFO в серийном производстве [18], производила отладку и проверку технологических процессов InFO с целью получения на выходе готового продукта со стопроцентной гарантией с вариантами исполнений для конкретных областей применения. Вполне вероятно, что компании OSAT будут следовать по примеру фабрик в данной области, вкладывая больше ресурсов на установление и сертификацию их производственных норм и допусков.
Сравнение процессов фабрик FO WLP с процессами компаний OSAT позволяет увидеть преимущества и недостатки каждого подхода (табл. 2).
Очевидно, главное преимущество для компаний разработчиков – это возможность делать и согласовывать все этапы технологического процесса в одном месте. Фабрики имеют большой опыт в создании PDK (Process Design Kit – комплект средств проектирования) для сложных ИС. Теперь они делятся своими знаниями и опытом с ведущими мировыми компаниями по разработке корпусов. Но, помимо большого опыта и исторически долгих отношений с EDA-компаниями, они также имеют преимущество в виде уникальных знаний по работе с кристаллами и их корпусами. Все это облегчает разработчикам получение доступа к большому количеству всевозможной информации об ИС и корпусах, чем в случае работы с несколькими участниками рынка.
Так, например, собрать воедино общие решения по проблеме минимизации паразитических связей, возникающих вследствие взаимного влияния кристалла и проводников корпуса, для OSAT-компаний является трудной задачей, поскольку OSAT обладают подробными знаниями только о корпусе. Кроме того, они не только плохо информированы о структуре кристалла, но и имеют ряд юридических ограничений на распространение имеющейся информации другим поставщикам ИС.
OSAT-компании имеют возможность создавать сборки на основе кристаллов от нескольких производителей, что обычно не доступно для фабрик. Так, например, трудно представить, что кристалл, произведенный в Samsung, можно отправить на сборку по технологии InFO в TSMC. С одной стороны, ограничиваясь одним заводом-изготовителем, отпадает необходимость в транспортировке кристаллов на дальние расстояния, при этом экономится время и появляется гарантия того, что вся необходимая информация в процессе работы будет доступна. С другой стороны, при выборе OSAT открывается широкий спектр возможностей для разработок, при этом увеличиваются трудозатраты разработчиков корпусов на обеспечение надежности совместной работы всех элементов / компонентов (и отладки в случае ошибок) при работе с посредниками. Этот выбор может существенно повлиять на стоимость корпуса FO WLP в зависимости от предложений изготовителей кристаллов.
Для компаний, разрабатывающих корпуса, такая вариативность и персонализация означает постоянно увеличивающийся выбор FO WLP решений. Определить лучшее предложение на основе установленных разработчиком требований может быть не так просто. Помимо цены и производителя, предложения обычно оценивают с точки зрения минимизации объема, занимаемого корпусом в изделии, и улучшения электрических параметров. Объем корпуса WLP определяется минимально возможной высотой и площадью посадочного места, минимальной плотностью размещения в соответствии с минимальным расстоянием между кристаллами и минимальной шириной проводника, а также пространством, соединяющим RDL-слои и BGA-выводы.
Подводя итоги, вне зависимости от того, что выберет разработчик корпуса, микросборки – фабрику или OSAT, технология FO WLP будет доступна. FO WLP позволяет использовать новую методологию разработки с перечнем ключевых преимуществ, которой с удовольствием пользуются разработчики корпусов. Ожидается, что область применения FO WLP будет расширяться в течение нескольких последующих лет, совместно с расширением области 3D-технологий сборки ИС.
Во второй части статьи будут рассмотрены вопросы проектирования и верификации корпусов и микросборок по технологии FO WLP средствами САПР компании Mentor Graphics.
Литература
Burakov M. M., Vertyanov D. V., Boyko A. N., Sosnovsky A. V. Investigation of TSV metallization for MEMS encapsulation technology. 2018 // ElConRus Conference IEEE. PP. 1599–1603. DOI: 10.1109/EIConRus.2018.8317411.
Вертянов Д., Евстафьев С., Виклунд П., Сидоренко В. Технологии внутреннего монтажа бескорпусных элементов и особенности проектирования микросистем со встроенными кристаллами. Часть 2 // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2020. № 7 (00198). С. 144–148. DOI: 10.22184/1992-4178.2020.198.7.144.148.
Вертянов Д., Евстафьев С., Виклунд П., Сидоренко В.
Технологии внутреннего монтажа бескорпусных элементов и особенности проектирования микросистем со встроенными кристаллами. Часть 1 // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2020. № 6 (00197). С. 96–102. DOI: 10.22184/1992-4178.2020.197.6.96.102.
Вертянов Д. В., Сидоренко В. Н., Тимошенков С. П., Ковалев А. А. Перспективные конструктивно-технологические решения для производства «систем в корпусе» // Технологии в электронной промышленности. 2019. № 4. С. 60–64.
Kumar S., Shoo F., Trivedi V. Status of the advanced packaging industry 2020 // Market & technology report. July 2020. Yole developpement. 2020. 5 p.
Lapedus M. Fan-Out Wars Begin [Электронный ресурс] /Semiconductor Engineering. 2018.
URL: https://semiengineering.com/fan-out-wars-begin/ (дата обращения 20.04.2021).
Lau J. H. Fan-Out Wafer Level Packaging/Springer, 2018. PP. 5–31.
Germering H. H., Erlangen T. M., Munich B. V. Transfer wafer level packaging. Заявитель и патентообладатель Infineon Technologies AG, опубл. 27.04.2004.
Вертянов Д. В., Сидоренко В. Н., Бураков М. М., Беляков И. А. Технологии формирования межуровневой коммутации для изготовления трехмерных микросборок // НАНОИНДУСТРИЯ. 2019. № S (82). С. 515–526. DOI: 10.22184/NanoRus. 2019.12.89.515.526.
Lau John H. 3D IC Packaging 3D IC Integration: A CPMT Distinguish Lecture // San Diego Chapter. 2015.
Lanzone R. Amkor Technology Advanced Package Solutions // SVP Engineering Solutions: Confab. Las Vegas. 2013.
Liu C. C. et al. High-performance integrated fan-out wafer level packaging (InFO-WLP): Technology and system integration, Electron Devices Meeting (IEDM), 2012 IEEE International, San Francisco, CA, 2012. PP. 14.1.1–14.1.4. DOI: 10.1109/IEDM.2012.6479039.
Lau H. J. Fan-Out Wafer-Level Packaging for 3D IC Heterogeneous Integration // IEEE/EPS Chapter Lecture in the Silicon Valley Are. 2018. 79 p.
Fan-Out Wafer-Level Packaging (FOWLP) Consortium, https://www.a-star.edu.sg/ime/INDUSTRY/INDUSTRY-CONSORTIA/Fan-Out-Wafer-Level-Packaging-FOWLP-Consortium.aspx.
TechSearch International, Inc., “The Future of Packaging and Assembly Technology” presentation at Central Texas Electronics Association, 2016. http://www.smta.org/chapters/files/Central-Texas_CTEAVardaman2016.pdf.
Letter to Shareholders // Taiwan Semiconductor Manufacturing Co Ltd, 2015. http://www.tsmc.com/download/ir/annualReports/2015/english/pdf/e_1_1.pdf
Intel Custom Foundry. «Embedded Multi-die Interconnect Bridge,» Intel Corporation, http://www.intel.com/content/www/us/en/foundry/emib.html.
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co Ltd Earnings Call. October 15. 2015. http://www.tsmc.com/uploadfile/ir/quarterly/2015/3C2bO/E/TSMC 3Q15 transcript.pdf.
САПР MENTOR GRAPHICS. Часть 1
Дж. Фергусон , Д. Вертянов, к. т. н., К. Фелтон , И. Беляков ,
С. Евстафьев, к. т. н., В. Сидоренко, Н. Горшкова, к. т. н.
Проектирование и верификация корпусов, микросборок FO WLP требуют взаимного сотрудничества между разработчиками, поставщиками аутсорсинговых услуг по сборке и тестированию изделий микроэлектроники (OSAT), производителями полупроводниковых изделий и продавцами САПР. Средства проектирования, которые имеют необходимую интеграцию и функциональные возможности для работы как с ИС, так и с корпусами позволяют уменьшить риски получения ошибок, брака на этапе корпусирования, а также сократить время выполнения заказов для поставщиков компонентов, компаний OSAT и производителей полупроводниковой продукции. Применение маршрута САПР Mentor Graphics дает уверенность в том, что разработчики корпусов, микросборок FO WLP имеют все необходимые функциональные возможности, инструменты проектирования и верификации для получения максимальной выгоды от новой технологии корпусирования, активно поддерживаемой рынком в последние несколько лет.
FOWLP (Fan-out wafer-level packaging – корпусирование кристаллов на уровне пластины с использованием внутреннего монтажа) – это активно развивающийся метод группового корпусирования кристаллов, применяемый как для создания корпусов с одним кристаллом, так и для формирования многокристальных сборок. Метод относится к числу так называемых современных технологий корпусирования (advanced packaging), которые противопоставляются традиционной разварке и позволяют уменьшить габариты изделия, сократить длину соединений между контактами кристалла и корпуса. Кроме FO WLP, к современным методам корпусирования также относятся: Flip-chip-корпусирование, технологии Fan-in WLP, корпусирование посредством внутреннего монтажа кристаллов (embedded die) в коммутационное основание (из металла, диэлектрика, полупроводника), а также создание 2,5D- и 3D-микросборок на основе сквозных отверстий в кремнии TSV (Through Silicon Vias) [1–4].
Среди современных методов корпусирования FO WLP (согласно прогнозу Yole Developpement от 2020 года [5]) занимает одну из лидирующих позиций по среднегодовому темпу роста с показателем 16% в период 2019–2024 годов, уступая лишь TSV (21,3%) и внутреннему монтажу в коммутационные основания (18%). При этом по объему рынка FO WLP значительно превосходит внутренний монтаж (рис. 1) [5].
Одним из ключевых преимуществ FO WLP, особенно по сравнению с близкими технологиями Fan-in WLP, является возможность объединить в малогабаритном корпусе несколько кристаллов интегральных схем, изготовленных по различным технологиям и на основе разнородных материалов (рис. 2). Технология FO WLP позволяет создавать корпуса, которые по площади превышают исходный кристалл. Данный факт не противоречит стремлению к миниатюризации электронных изделий, поскольку именно на дополнительной площади размещаются вертикальные межсоединения, позволяющие создавать на основе FO WLP корпусов трехмерные микросборки. Также дополнительная площадь используется для трассировки кристаллов с большим количеством контактных площадок, позволяя эффективнее перераспределять коммутацию от более плотно расположенных площадок кристалла к менее плотно расположенным контактам корпуса.
Первые коммерчески успешные технологии корпусирования кристаллов на уровне пластины с использованием внутреннего монтажа появились в 2006–2010 годах. Это были технология eWLB (Embedded Wafer Level Ball Grid Array) от Infineon и технология RCP (Redistributed Chip Packaging) от Freescale [6, 7].
Общие сведения о FO WLP
Несмотря на разнообразие решений в области FO WLP, основные этапы процесса корпусирования остаются практически неизменными для разных вариантов технологии.
К ним относятся:
- размещение кристаллов на временном носителе (пластине или прямоугольной панели);
- герметизация повторно собранной пластины с кристаллами посредством формовочного компаунда (EMC – Epoxy Molding Compound);
- отделение временного носителя (полученную после этого заготовку со встроенными кристаллами называют восстановленной пластиной);
- формирование коммутационных слоев (слоев перераспределения или RDL – redistribution layer);
- разделение заготовки на отдельные корпуса или микросборки.
При этом последовательность этапов корпусирования для разных вариантов FO WLP может отличаться. Так, в зависимости от того, как и на каком этапе процесса происходит присоединение кристаллов к носителю, выделяют три варианта технологий FO WLP. Первый вариант – традиционные технологии, в которых кристалл устанавливается активной стороной вниз на адгезив, покрывающий временное основание, в самом начале процесса (рис. 3а) [8]. Именно так изготавливаются корпуса по технологиям RCP и eWLB.
Преимущество данного подхода в том, что полностью исключаются процессы пайки и сварки при формировании соединений корпуса, а также нет необходимости в применении лазерной обработки и специализированных кристаллов.
Альтернативой традиционному подходу является установка кристаллов в начале процесса активной стороной вверх (рис. 3б) [8]. При этом на кристаллах либо должны присутствовать заранее подготовленные проводящие столбики, либо после герметизации с помощью лазера должны формироваться отверстия в компаунде до контактов кристалла.
Третий вариант FO WLP значительно отличается от первых двух, поскольку предусматривает монтаж кристаллов с помощью шариковых микробампов на уже сформированные слои перераспределения (слои формируются на временном носителе) – рис. 3в [8]. Основное преимущество метода состоит в том, что кристаллы не смещаются при герметизации, однако данный вариант не является полностью беспаечным.
В технологиях Fan-in и Fan-out WLP обычно не используются переходные отверстия в кремнии (TSV) или специальные многослойные подложки (как в Flip-chip- или Embedded die корпусировании, например подложки, изготовленные с применением технологии наращивания слоев (build up layers)). При этом в качестве временного носителя обычно применяют именно кремниевую подложку (пластину) или стеклянную прямоугольную панель (в технологиях PLP – panel level packaging). Отказ от TSV и дополнительных подложек не только уменьшает конечную стоимость продукции, но и позволяет компаниям изготавливать корпуса и микросборки с улучшенными электрическими и массогабаритными параметрами.
Технология FO WLP послужила основой для формирования направления 3D WLP-микросборок и реализации конструкций типа «корпус на корпусе» (PоP), которые позволяют значительно повысить уровень интеграции электронных устройств. Это стало возможным благодаря применению сквозных переходных отверстий в корпусе (TPV).
В отличие от сквозных отверстий в кремнии, TPV имеют характеристики, схожие с традиционными переходными отверстиями, что позволяет не переживать за надежность и увеличение стоимости. Кроме того, TPV меньше подвержены индуктивному и тепловому воздействию по сравнению с TSV, а также значительно дешевле в производстве.
Методы формирования межуровневой коммутации в технологиях 3D WLP схожи друг с другом. Почти все они основаны на создании сквозных отверстий в компаунде по периферии WLP-корпуса (именно на тех участках, которые выступают за пределы границ кристалла), заполняемых впоследствии проводящим материалом. Различия в данных технологиях определяются в основном методами обеспечения электрического контакта. Так, технология WL FO (wafer-level Fan-out) от Amkor technologies предполагает создание с помощью лазера отверстий в компаунде до слоев коммутации на нижней стороне корпуса и последующее заполнение этих отверстий припойной композицией (рис. 4а) [9, 10].
Компания Stats Chip создает межуровневую коммутацию похожим способом, только вместо заполнения припоем в полученных с помощью лазера отверстиях формируют шарики (рис. 4б) [9, 10]. Компания Infineon для создания межуровневых соединений использует процессы металлизации компаунда, в результате которых на стенках отверстий формируется слой меди, достаточный для обеспечения надежного электрического контакта.
Такие межуровневые соединения носят название сквозных отверстий в инкапсулянте (TEV) – рис. 4в [9, 10]. Оригинальную технологию формирования межуровневой коммутации под названием InFo (Integrated Fan-out) разработала компания TSMC.
Межуровневая коммутация в данной технологии реализуется не с помощью металлизированных или заполненных припоем отверстий, а с помощью медных столбиковых выводов, называемых TIV (Through InFo Via) – рис. 4г [9, 11].
Сборка типа PоP обеспечивает меньшие размеры изделия, что позволяет разработчикам без особого труда выполнять требования по высоте изделий и применять широкий спектр сторонних кристаллов DRAM в одном корпусе с основной микросхемой. Учитывая меньшие габариты, пониженную мощность и более высокие характеристики сборок PоP [12], легко понять растущую популярность FO WLP.
Смартфоны и беспроводные мультимедиа-устройства стали первыми крупными коммерческими сегментами, в разработке которых применили FO WLP, например в микропроцессорах мобильных телефонов iPhone компании Apple. Микропроцессоры Apple A10, А11, A12 изготавливаются по InFo-технологии от компании TSMC (рис. 5) [13].
Преимущества FO WLP
FO WLP имеет много преимуществ по сравнению с традиционными технологиями корпусирования:
- более высокую производительность;
- более короткие межсоединения позволяют снизить количество паразитных связей и уменьшить задержки;
- более короткие расстояния до теплоотвода уменьшают вероятность тепловых ударов и сопротивления;
- сниженное энергопотребление;
- улучшенные конструктивные параметры (габаритные размеры);
- имеет меньшую высоту и массу, чем традиционные 2,5D- и 3D-сборки;
- позволяет размещать большее количество элементов / компонентов по вертикали, уменьшая площадь посадочного места корпуса.
В то время как кремниевые 2,5D- и 3D-технологии конкурируют с FO WLP, многие в отрасли рассматривают их как параллельные технологии для разных рынков и различных задач применения. Так, например, FO WLP часто считают более подходящим решением для мобильных устройств, радиочастотных изделий и автомобильной электроники, в то время как 2,5D- и 3D-микросборки на основе кремния с TSV-отверстиями лучше всего подходят для памяти, ПЛИС и графических / центральных процессоров.
Технологии FO WLP
Следующим шагом после решения использовать FO WLP является выбор конкретного способа изготовления, то есть технологии.
Первой коммерческой и доступной FO WLP технологией стала технология корпусирования кристаллов на уровне пластины с применением массива шариковых выводов eWLB от компании Infineon.
Процесс сборки микросхем непосредственно на кремниевой подложке в технологии eWLB не ограничен размерами кристаллов, что дает разработчикам гибкость в использовании практически неограниченного количества соединений между корпусом и промежуточной подложкой для обеспечения максимальной плотности. Компания Infineon решила лицензировать свой технологический маршрут eWLB, поэтому теперь он доступен у большинства ведущих поставщиков аутсорсинговых услуг по сборке и тестированию изделий микроэлектроники (OSAT).
Однако это привело к тому, что OSAT-компаниям очень трудно конкурировать между собой, когда все они применяют один и тот же технологический маршрут, ценообразование которого ограничено стоимостью лицензирования. В результате все крупные аутсорсинговые OSAT-компании поддерживают технологию корпусирования eWLB, но при этом часть из них также предоставляет альтернативные запатентованные процессы.
Таким образом, eWLB – далеко не единственная FO WLP технология на рынке. Группа из нескольких компаний организовала консорциум высокоплотных технологий FO WLP под руководством A*Star (Сингапурская научно-исследовательская компания), в состав которой вошли компании Amkor, Nanium, STATS ChipPAC, NXP, GLOBALFOUNDRIES, Kulicke & Soffa, Applied Materials, Dipsol, JSR Micro, KLATencor, Kingyoup, Orbotech и TOK [14]. Цель данного консорциума – исследование проблем, связанных как с технической реализацией, так и с оптимизацией стоимости производства высокоплотных корпусов, микросборок по FO WLP и поиском лучших производственных решений для быстрого внедрения данных технологий в электронной отрасли. За последние несколько лет консорциум разработал две высокоплотные технологии корпусирования: mold-first и RDL-first / chips-last.
Например, технология SWIFT (silicon wafer integrated fan-out technology) фирмы Amkor имеет ряд уникальных особенностей, нетипичных для традиционных корпусов интегральных схем, таких как использование диэлектриков на основе полимеров; использование нескольких типов кристаллов; применение кристаллов больших размеров; плотность межсоединений до 2 мкм на линию (недопустимо для SoC-изделий); межслойные соединения с шагом до 30 мкм; возможность использовать TMV (Through Mold Via – сквозные металлизированные отверстия в компаунде) или медные столбики (как в технологии TIV от TSMC в процессорах A10, 11). Недостаток данной технологии заключается в необходимости использовать дополнительный кремниевый компонент (например, кремниевый интерпозер, но без TSV-отверстий). Поскольку OSAT-компании не могут производить кремниевые компоненты, они вынуждены пользоваться услугами сторонних производителей. Варианты наиболее известных FO WLP технологий, предлагаемые OSAT-компаниями [15], перечислены в табл. 1.
Фабрики по производству микросхем также обратили внимание на рост популярности решений на основе технологий FO WLP. Компания TSMC, вышедшая на рынок со своей технологией InFO WLP [16], сертифицировала ее для корпусирования кремниевых кристаллов собственного производства для различных размеров корпусов: 8 × 8 мм2 (позволяет монтировать один или несколько кристаллов с количеством входов / выходов до 600), 15 × 15 мм2 (поддерживает до 2 000 входов / выходов) и 30 × 30 мм2 (поддерживает до 3 600 входов / выходов).
В одном из вариантов технологии InFO, известном под названием integrated fan-out package-on-package (InFO-PoP), кристалл DRAM монтируется над FO WLP с использованием технологии TPV (в TSMC называют ее «переходные отверстия», through-InFO или TIV) (рис. 6). Другой вариант технологии, называемый InFO-M, поддерживает размещение одновременно нескольких кристаллов.
Компания Intel Custom Foundry недавно представила собственную технологию под названием EMIB (embedded multi-die interconnect bridge) как новый экономически выгодный подход к сборке гетерогенных микросхем с высокой плотностью межсоединений (рис. 7) [17].
Несмотря на то, что данная технология не является прямым аналогом FO WLP, она позволяет избежать использования TSV-отверстий за счет замены больших и сложных интерпозеров на «кремниевые мосты» (небольшие элементы с высокой плотностью коммутации, выполненные из кремния), что позволяет создавать межсоединения между интерфейсами кристаллов с малым шагом. Существует также информация, что Intel разрабатывает полноценную FO WLP технологию.
С включением в состав консорциума фабрик по производству микросхем, у разработчиков корпусов появилась новая тема для обсуждения: компании OSAT против фабрик по производству микросхем. Основные преимущества, предлагаемые фабриками: более быстрое время изготовления за счет совместного использования производственных линий; единое место для связи и предоставления услуг; специализированное оборудование; десятки лет опыта и предоставление полного набора комплекта библиотек для разработчиков. Например, компания TSMC, занимаясь внедрением технологии InFO в серийном производстве [18], производила отладку и проверку технологических процессов InFO с целью получения на выходе готового продукта со стопроцентной гарантией с вариантами исполнений для конкретных областей применения. Вполне вероятно, что компании OSAT будут следовать по примеру фабрик в данной области, вкладывая больше ресурсов на установление и сертификацию их производственных норм и допусков.
Сравнение процессов фабрик FO WLP с процессами компаний OSAT позволяет увидеть преимущества и недостатки каждого подхода (табл. 2).
Очевидно, главное преимущество для компаний разработчиков – это возможность делать и согласовывать все этапы технологического процесса в одном месте. Фабрики имеют большой опыт в создании PDK (Process Design Kit – комплект средств проектирования) для сложных ИС. Теперь они делятся своими знаниями и опытом с ведущими мировыми компаниями по разработке корпусов. Но, помимо большого опыта и исторически долгих отношений с EDA-компаниями, они также имеют преимущество в виде уникальных знаний по работе с кристаллами и их корпусами. Все это облегчает разработчикам получение доступа к большому количеству всевозможной информации об ИС и корпусах, чем в случае работы с несколькими участниками рынка.
Так, например, собрать воедино общие решения по проблеме минимизации паразитических связей, возникающих вследствие взаимного влияния кристалла и проводников корпуса, для OSAT-компаний является трудной задачей, поскольку OSAT обладают подробными знаниями только о корпусе. Кроме того, они не только плохо информированы о структуре кристалла, но и имеют ряд юридических ограничений на распространение имеющейся информации другим поставщикам ИС.
OSAT-компании имеют возможность создавать сборки на основе кристаллов от нескольких производителей, что обычно не доступно для фабрик. Так, например, трудно представить, что кристалл, произведенный в Samsung, можно отправить на сборку по технологии InFO в TSMC. С одной стороны, ограничиваясь одним заводом-изготовителем, отпадает необходимость в транспортировке кристаллов на дальние расстояния, при этом экономится время и появляется гарантия того, что вся необходимая информация в процессе работы будет доступна. С другой стороны, при выборе OSAT открывается широкий спектр возможностей для разработок, при этом увеличиваются трудозатраты разработчиков корпусов на обеспечение надежности совместной работы всех элементов / компонентов (и отладки в случае ошибок) при работе с посредниками. Этот выбор может существенно повлиять на стоимость корпуса FO WLP в зависимости от предложений изготовителей кристаллов.
Для компаний, разрабатывающих корпуса, такая вариативность и персонализация означает постоянно увеличивающийся выбор FO WLP решений. Определить лучшее предложение на основе установленных разработчиком требований может быть не так просто. Помимо цены и производителя, предложения обычно оценивают с точки зрения минимизации объема, занимаемого корпусом в изделии, и улучшения электрических параметров. Объем корпуса WLP определяется минимально возможной высотой и площадью посадочного места, минимальной плотностью размещения в соответствии с минимальным расстоянием между кристаллами и минимальной шириной проводника, а также пространством, соединяющим RDL-слои и BGA-выводы.
Подводя итоги, вне зависимости от того, что выберет разработчик корпуса, микросборки – фабрику или OSAT, технология FO WLP будет доступна. FO WLP позволяет использовать новую методологию разработки с перечнем ключевых преимуществ, которой с удовольствием пользуются разработчики корпусов. Ожидается, что область применения FO WLP будет расширяться в течение нескольких последующих лет, совместно с расширением области 3D-технологий сборки ИС.
Во второй части статьи будут рассмотрены вопросы проектирования и верификации корпусов и микросборок по технологии FO WLP средствами САПР компании Mentor Graphics.
Литература
Burakov M. M., Vertyanov D. V., Boyko A. N., Sosnovsky A. V. Investigation of TSV metallization for MEMS encapsulation technology. 2018 // ElConRus Conference IEEE. PP. 1599–1603. DOI: 10.1109/EIConRus.2018.8317411.
Вертянов Д., Евстафьев С., Виклунд П., Сидоренко В. Технологии внутреннего монтажа бескорпусных элементов и особенности проектирования микросистем со встроенными кристаллами. Часть 2 // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2020. № 7 (00198). С. 144–148. DOI: 10.22184/1992-4178.2020.198.7.144.148.
Вертянов Д., Евстафьев С., Виклунд П., Сидоренко В.
Технологии внутреннего монтажа бескорпусных элементов и особенности проектирования микросистем со встроенными кристаллами. Часть 1 // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2020. № 6 (00197). С. 96–102. DOI: 10.22184/1992-4178.2020.197.6.96.102.
Вертянов Д. В., Сидоренко В. Н., Тимошенков С. П., Ковалев А. А. Перспективные конструктивно-технологические решения для производства «систем в корпусе» // Технологии в электронной промышленности. 2019. № 4. С. 60–64.
Kumar S., Shoo F., Trivedi V. Status of the advanced packaging industry 2020 // Market & technology report. July 2020. Yole developpement. 2020. 5 p.
Lapedus M. Fan-Out Wars Begin [Электронный ресурс] /Semiconductor Engineering. 2018.
URL: https://semiengineering.com/fan-out-wars-begin/ (дата обращения 20.04.2021).
Lau J. H. Fan-Out Wafer Level Packaging/Springer, 2018. PP. 5–31.
Germering H. H., Erlangen T. M., Munich B. V. Transfer wafer level packaging. Заявитель и патентообладатель Infineon Technologies AG, опубл. 27.04.2004.
Вертянов Д. В., Сидоренко В. Н., Бураков М. М., Беляков И. А. Технологии формирования межуровневой коммутации для изготовления трехмерных микросборок // НАНОИНДУСТРИЯ. 2019. № S (82). С. 515–526. DOI: 10.22184/NanoRus. 2019.12.89.515.526.
Lau John H. 3D IC Packaging 3D IC Integration: A CPMT Distinguish Lecture // San Diego Chapter. 2015.
Lanzone R. Amkor Technology Advanced Package Solutions // SVP Engineering Solutions: Confab. Las Vegas. 2013.
Liu C. C. et al. High-performance integrated fan-out wafer level packaging (InFO-WLP): Technology and system integration, Electron Devices Meeting (IEDM), 2012 IEEE International, San Francisco, CA, 2012. PP. 14.1.1–14.1.4. DOI: 10.1109/IEDM.2012.6479039.
Lau H. J. Fan-Out Wafer-Level Packaging for 3D IC Heterogeneous Integration // IEEE/EPS Chapter Lecture in the Silicon Valley Are. 2018. 79 p.
Fan-Out Wafer-Level Packaging (FOWLP) Consortium, https://www.a-star.edu.sg/ime/INDUSTRY/INDUSTRY-CONSORTIA/Fan-Out-Wafer-Level-Packaging-FOWLP-Consortium.aspx.
TechSearch International, Inc., “The Future of Packaging and Assembly Technology” presentation at Central Texas Electronics Association, 2016. http://www.smta.org/chapters/files/Central-Texas_CTEAVardaman2016.pdf.
Letter to Shareholders // Taiwan Semiconductor Manufacturing Co Ltd, 2015. http://www.tsmc.com/download/ir/annualReports/2015/english/pdf/e_1_1.pdf
Intel Custom Foundry. «Embedded Multi-die Interconnect Bridge,» Intel Corporation, http://www.intel.com/content/www/us/en/foundry/emib.html.
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co Ltd Earnings Call. October 15. 2015. http://www.tsmc.com/uploadfile/ir/quarterly/2015/3C2bO/E/TSMC 3Q15 transcript.pdf.
Отзывы читателей
