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芯片封装有效精省零组件空间压缩PCB载板扩展功能

  • 陈婉洁

透过SESUB技术集成大量零组件,可让原有PCB使用面积扩展超过一倍。ASE Group

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因应终端产品小型化市场趋势,透过芯片封装方案将以往散落于PCB载板上的零组件布局,透过功能化、模块化的集成封装处理,不仅可以将大量器件采如芯片般集成设置,不仅简化PCB设计复杂度,还可腾出更多PCB空间追加更多复合功能…

TDK使用SESUB嵌入式芯片封装方案,有效缩减蓝牙模块方案的占位空间。(TDK)

新一代智能设备,无不标榜体积更小、速度更快、功能更多等多产品优点,但实际上检视这些新产品与新功能会发现,其实这些条件看起来诱人,但在传统设计方案来检视都是彼此互斥冲突的设计目标,例如,要求产品越做越小、却要效能有前代产品数倍效能提升、更多的应用功能集成?其实需面对的就是更大量的零组件选用与设计,设计的结果自然无法满足产品小型化的设计前提。

使用芯片封装方案 集成大量零组件

但若采行芯片的封装方案进行功能模块相关零组件的集成,自然可以将原本独立的关键零组件采用芯片的方式搭配载板进行功能化的模块封装,若电子产品多项核心功能均采此种方案进行功能模块封装,原有散于PCB平面布置的电子零组件在元件本身就占据一定PCB面积,展开布置于PCB上自然会导致PCB面积增大,但若使用前述的功能模块进行PCB布局,则可有效将PCB载板面积节省近一半以上,甚至空出来的PCB空间面积可以部署更多附加功能,提升终端产品的市场竞争力。

这类嵌入式的芯片封装方案,并不是算是一项全新技术,如日月光(ASE)、AT&S、TDK、Taiyo Yuden、General Electric(GE)、Shinko、Wurth Electronics等重点公司均在嵌入式的芯片封装方案有不同的方案与市场关注方向发展。嵌入式芯片封装和多数认知的封装类型并不相同,例如,在一般集成电路封装方案零组件或芯片会置基板顶部,而嵌入式封装为使用更多制(Microelectromechanical Systems)微机电元件、无源零组件等,均可采并排(side-by-side)型态将元件嵌入有机层压基板(organic laminate substrate)中,透过嵌入式封装方案,更进一步缩小系统必要的电路板占位面积。

SESUB嵌入式的芯片封装方案

众多嵌入式芯片封装方案,可以参考TDK SESUB(Semiconductor Embedded in SUBstrate)嵌入式芯片封装方案,例如TDK的SESUB封装蓝牙无线方案,就将蓝牙无线应用相关零组件,使用四片基板层叠、搭配通孔进行层间功能连接,打造出号称最小的蓝牙无线功能模块。

以TDK的SESUB封装方案检视,蓝牙模块中的大量元件不仅可以受惠于平面的零组件集成封装体积缩减优势,加上垂直纵轴的零组件部署与封装,节省的模块面积是呈现倍数的条件缩减,因为该模块已经包含蓝牙RF传输必要的系统需求,对于终端产品来说仅需要提供模块所需的PCB布局空间与线路需求,就能为终端设备扩充蓝牙模块的应用功能,对于设计面、生产面与成本节约等各个面向,都会较传统零组件布局实现蓝牙功能于PCB的占位面积更小。

成本、良率仍为SESUB封装方案推展瓶颈

但实际上嵌入式芯片封装也不是说毫无缺点,首先,SESUB封装方案因为零组件布局不是单纯的平面布局,而是整体化立体化的集成思维,并透过通孔与板层间的层叠封装与实现连通线路集成,光在设计上就相对一般方案更为复杂,而实作的工艺复杂度也较一般模块化方案更为繁复,在制造成本与良率都是一大考验,导致目前相关产品的成本较高、良率表现也需要进一步优化。

除SESUB封装方案外,其实嵌入式芯片封装方式仍有多种方案选择,IC封装方式还可使用如WLP晶圆级封装(Wafer Level Packaging)、基板级封装、引线架构封装等。

WLP、基板级封装、引线架构封装应用方向

例如,WLP晶圆级封装,这类封装有fan-in扇入型与fan-out扇出型两种封装类型。一般来说,WLP为一种无基板的封装方案,WLP为利用routing layers布线层所构成的薄膜来替带前述SESUB封装方案的基板,功能芯片为利用薄膜在封装内提供主要的电气连接作用。

基于基板的封装,则可分有机层压基板、陶瓷基板等类别。有机层压基板多使用在2.5D/3D封装、倒装芯片或SiP(System in a Package)系统级封装中,有机基板使用材料多半是FR-4或其它基板材料;陶瓷基板则是基于氮化铝、氧化铝和其它材料制成,而陶瓷基板的封装多数使用在CMOS图象传感器、multi-chip module芯片模块等应用方向。至于引线架构封装,如QFN(Quad Flat No leads)方形扁平无引脚封装和QFP(Quad Flat Package)方型扁平式封装,而引线架构为以芯片裸片贴装于金属架构上,再透过导线引线连接功能。

透过封装技术集成多芯片或多数的零组件,其实最直接的优点就是体积缩小许点,因为单一功能芯片都设置一个封装体、有其芯片使用的连接功能引脚,加上平铺于PCB载板上,光是功能对应的部署元件就占据一大块载板面积,在PCB面积寸土寸金的现金,不透过封装集成方式已无法有效缩减终端产品的最终成品体积。若采行更积极异构集成的嵌入芯片集成方案,如将多个元器件集成在单一先进封装体中,也可用较低的设计成本提供类似SoC系统级芯片的应用。

同样的,嵌入式芯片封装也与其它先进技术方案一样,面临成本与良率问题,在嵌入式芯片封装产品完成后,集成零组件再经过测试验证,其实会发现良率问题会较一般集成方案更加严苛,一方面是芯片内的结构其实已较一般集成电路更为复杂,加上嵌入方案使用连接孔串接版层间的功能模块或芯片,连接线路的导通质量、内部信道的传输质量、抗干扰问题等,都会影响到功能模块的运行稳定状态。

附档:表格=