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三星因错失苹果订单,拟开发全新封装制程

台积电去(2016)年以优越的前端硅晶圆制造和最新封装科技,将苹果 ( Apple Inc. )的应用处理器订单整碗捧走,三星电子(Samsung Electronics)决心雪耻,传出要在2018年研发全新的封装制程,抢回苹果订单。

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韩国媒体ETNews 28日报导,业界消息确认,三星半导体事业部已经投入资金,拟开发全新的「扇出型晶圆级封装」(Fan-Out Wafer Level Packaging;FOWLP)制程,由三星去年底从英特尔(Intel Corp.)挖角的半导体研究机构董事Oh Kyung-seok全程监制。

 

三星坚信,等封装制程研发完毕后,苹果订单即可顺利夺回,因此公司也会赶在2019年结束前,将量产设备打造完毕。

 

台积电是全球第一家把应用处理器的FOWLP技术商业化的晶圆代工业者,也因此赢得iPhone 7的16纳米A10处理器、iPhone 8的10纳米A11处理器订单。专家认为,虽然三星、台积电的前端硅晶圆制程技术不相上下,但苹果对台积电的封装科技评价很高,也决定把订单交给台积电。

 

而三星电子方面,原本对于FOWLP封装技术的态度是相当的消极,这是因为对于目前本身所拥有的层迭封装技术(PoP;Package on Package)是相当有自信心,自信有能力持续站在领先的地位。所以之前依旧把重点放在前端制程,对后端的投资并不多,在痛失苹果订单后,三星如今终于感受到后端封装的重要性。

 

FOWLP扇形封装

FOWLP顾名思义就是和现有WLP的Fan In有着差异性,最大的特点是在相同的芯片尺寸下,可以做到范围更广的重分布层(Redistribution Layer),基于这样的变化,芯片的脚数也就将会变得更多,使得未来在采用这样技术下所生产的芯片,其功能性将会更加强大, 并且将更多的功能整合到单芯片之中,同时也达到了无载板封装、薄型化以及低成本化等等的优点。

 

基本上,FOWLP封装技术原本是由德国Infineon Technologies所自行开发出来的封装技术,当初寄望成为新世代封装技术之一而受注目,但是由于种种的关系,使得整体良率过低,因此无法达到普及的程度,但FOWLP并非就此消失,而是深刻的留在各大半导体企业的心中,同时也默默地进行各项改进以及调整。

 

参考FOWLP封装技术的简略示意图。 在晶圆的制程中,从半导体裸晶的端点上,拉出所需的电路到重分布层(Redistribution Layer),进而形成封装。 在这样的基础上就不需要封装载板,更不用打线(Wire)以及凸块(Bump),进而得以降低30%的生产成本,以及减少芯片的厚度。

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图: 从半导体裸晶的端点上,拉出所需的电路到重分布层进而形成封装,就是所谓的FOWLP封装技术

在芯片中的重分布层会因为缩短电路的长度,使得电气讯号大幅度的提高。 在过去,对于WLCSP的半导体芯片面积和封装面积是相同的来比较,FOWLP技术下的芯片的面积比原本封装后面积小很多,因此,可以完成更多脚位设计,或是大大减少封装后半导体芯片的面积,达到小型化芯片的需求。 使得原本需要数颗生产成本较高的直通硅晶穿孔(TSV ; Through-Silicon Via),进化到能将不同的组件透过封装技术整合在一起,并且小型化的SiP(System in Package)封装技术。


为了形成重分布层,必须将封装制程导入晶圆的前段制程,因此也打破了固有前段制程与后段制程藩篱,这对于芯片生产者来说如何完成到一贯性的制程技术(Full Turnkey)就显得相当重要。 在此之下,封装代工业者以及封装载板材料业者或许就会出现是否能继续存活下去的关键问题。 因此,对于未来的半导体世界来说,决胜手段已不是仅仅只是在5纳米、3纳米制程细微化的能力,而是已经延伸到前后段制程的一贯性的制程技术。


扇出型封装的挑战

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

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

    (2)晶片位置之精确度: 在重新建构晶圆时,必须要维持晶片从持取及放置(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,光罩对準晶圆及曝光都是一次性,所以对于晶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℃迴焊(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。

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