移动设备处理器发展与3D封装技术趋势

Intel/AMD以先进制程SoC搭配2.5D MCP封装方式打造Haswell/Atom、AMD APU/GPU等移动处理器、移动绘图芯片。Intel/GlobalFoundries

从英特尔的Haswell/Broadwell处理器、超微(AMD)的移动高效能GPU芯片，都不约而同的用上了2.5D中介板封装技术，即将浮出台面的DDR4，也酝酿导入3D立体堆叠加上矽钻孔(3D Stacks+TSV)封装；面对移动通讯所需要的射频芯片(RF)、MEMS微机电传感器、功率芯片(PA)等元件的整合，异质性3D IC整合封装技术(Heterogeneous 3D IC)，将使这些元件无所不包，为未来更轻盈、小巧的移动设备带来功能上的巨幅改变…

提升芯片电路密集度  朝立体天际线发展

由于要整合更多处理器核心、嵌入式存储器、RF射频元件，新一代移动设备的应用处理器，除了采SoC整合设计、以先进制程来微缩线路间距之外，所采用的芯片封装技术，也从MCP(Multi-Chip Package)多芯片封装、3D立体堆叠(3D Stacks)甚至2.5D中介板(2.5D Interposer)封装技术迈进。

3D IC是将处理器芯片、可程序化逻辑闸(FPGA)芯片、存储器芯片、射频芯片(RF)或光电芯片，裸晶打薄之后直接叠合透过TSV钻孔连接。就像原先一层楼的平房往上叠了好几层成为大楼，从中架设电梯使每个楼层相互连通一样。而目前3D IC中，又可分为同质性的3D Stack(3D立体堆叠)，以及可用于异质性整合的3D IC封装制程。前者较适用于相同性质芯片的裸晶堆叠与整合，像即将浮出台面的DDR4存储器芯片，就会采用Wide I/O封装接脚以及3D Stacks堆叠封装技术。

因3D IC可改善存储器、逻辑芯片甚至异质性芯片的性能与可靠度，同时缩小产品尺寸并减低成本。据TechNavio预测，来自手机、平板电脑等移动运算装置的存储器需求，将驱动2012至2016年全球3D IC市场以19.7%的年复合成长率高速成长。而台积电、日月光、意法半导体、三星、美光、格罗方德、IBM、英特尔等多家公司皆已陆续投入3D IC的研发与生产。

在推进到3D IC同质性或异质性整合之前，被半导体产业视为过渡到未来3D IC的中介技术——2.5D中介封装技术，最早由封测厂龙头日月光所提出。因为当今高频运作的CPU、GPU芯片本体，其工作温度高达120°C，若硬是要叠合工作温度仅85°C的DRAM、NAND Flash裸晶，会出现刷新机制与储存耐受度的可靠性问题，同时亦面临到不同种类的裸晶堆叠，因不同胶合材料的热膨胀系数，在过热时的热应力效应，所导致堆叠芯片的变形甚至锡裂。

新一代运算？处理器芯片  以2.5D/MCP封装提升运算密集度

2.5D中介板技术，将让各种不同制程？工作特性的裸晶，改采彼此平行紧密排列，放置在玻璃或矽基材料的中介层上面进行连结，往下再连接到PCB电路板，缩短信号的延迟时间，提升整体系统效能。过去3D IC技术须针对每一层裸晶进行热？电磁测试，其中若一个裸晶出现问题，会导致整组3D IC堆叠装置报销。而2.5D技术可使得每颗先单独测试的裸晶，放置在中介板后进行并排穿孔、构装后，最后再经过一次整体整合测试即可，大幅降低封测成本。

首先采用2.5D中介板封装制程的半导体厂家，以Xilinx与Altera两大可程序逻辑闸阵列(FPGA)龙头为代表。两家均采用台积电的CoWos(Chip on Wafer on Substrate)的2.5D IC技术。而英特尔于2013年6月推出22nm制程的第四代Core i3/5/7-4xxx系列处理器(Haswell)，针对笔记本电脑平台采取2 in 1 BGA封装技术，其中Intel Iris Pro 5200(GT3e)图形芯片部份，更首度使用到2.5D interposer的封装技术，将GPU与高速eDRAM透过中介基板结合成一体，大幅降低整体系统功耗与PCB布线空间。

在2013年初曝光的Intel下一代处理器Broadwell蓝图中，曾谣传Intel将针对桌上型电脑采用的LGA插槽可安装升级架构舍弃，全面导向目前笔记本电脑所使用的BGA封装、直接焊接于主机板的设计，后来Intel官方虽然否认此传闻，伴随着14nm的Broadwell处理器延至今年(2014)第四季才推出，但是BGA封装的Haswell/Haswell Fresh处理器，已经从笔记本电脑、平板领域，推进到一体机(AIO)已架构，未来Intel是否针对中低端桌上型电脑市场，舍弃LGA插槽升级架构，直接推BGA封装的Haswell Refresh/Broadwell处理器，届时即可见真章。

以封装技术平衡功耗与体积

即便制程仍停留在28nm制程，截至目前为止ARM已在智能手机、平板电脑、智能电视、机顶盒等领域占有超越95%的市占率。GlobalFoundries于2013年12月28日宣布与Amkor Technology合作，展示以28nm制程的嵌入式ARM Cortex裸晶，与两组逻辑芯片以2.5D中介板连接、封装的芯片成品。

在平板电脑领域中，Intel初期选择跟微软合作，原预计2013年Q3推出的22nm制程、64位元乱序执行四核心架构的新Atom Z37xx系列处理器(Bay Trail平台)，搭配Windows 8操作系统，其效能？低功耗可以跟当前四核ARM Cortex A9架构的Android平板相抗衡；但是既有平板厂商未积极支持，就连微软自有品牌的Surface RT(ARM架构)、Surface Pro(x86架构)平板电脑，销售量都奇惨无比，造成2013年第二季财报有9亿美元的库存减损。

Intel于2013年9月IDF首度揭露将推出支持Android OS的Atom传统？变形平板电脑架构，配合着SoC高密集度、低成本BGA封装来适度降低Atom处理器报价，试图把Android x86平板终端价格降到250~349美元以下，来跟GooARM(Google Android+ARM)架构平板电脑做竞争。

而Atom处理器除了采SoC设计与BGA封装之外，在2010年Intel也曾推出采MCP封装的Atom E600C处理器芯片，集合低功耗Atom处理器芯片与Altera的Configurable FPGA(可组态程序化逻辑闸)两组芯片于一体，瞄准工业控制与自动化医疗等市场。除了CPU之外，像AMD所推出的移动GPU/APU(加速处理器)芯片，也采用到2.5D Interposer加上MCP多芯片构装的技术，将不同特性的CPU/GPU/DRAM裸晶做最有效的整合。

穿戴式装置市场加温  加速异质性元件整合封装

报价1,500美元的Google Glass智能眼镜，从早期创新发明阶段到后期已塑造成配合人体工学又兼顾时尚外型的穿戴式应用产品，并于2014年5月14日开放全美使用者购买。无论是智能眼镜、智能手表、智能手环或其他穿戴式装置，都需要低功耗处理器、PA功率元件、RF射频元件、CMOS Image Sensor影像传感及MEMS微机电传感元件等的整合，需要应用到可挠性印刷电路板(Flexible PCB)，将符合医疗用产品低功耗？低射频的各种处理器、传感元件焊接连接。

为了进一步缩减穿戴式装置芯片？产品的体积，下一步则会借助先进IC制程与封装技术，朝SIP系统级构装(System in Package)发展，亦即将各种芯片元件、系统以2D或3D方式做平面或立体式堆叠，包含前面所介绍的多芯片模块(MCM)、多芯片构装(MCP)、PoP(Package On Package)、PiP(Package In Package)等类型。

而将来除了以更先进的IC制程(例如22/14 nm制程)技术，把各种数码？混合信号电路以SoC方式做整合之外，随着3D IC封装技术的进展，未来将直接于矽晶载板(Substrate)上做异质型整合，也就是将所有传感元件、逻辑芯片、射频元件、光电元件与电源元件片整合成一个单独芯片外观的复合式芯片，这将会是继移动设备之后，穿戴式装置掀起的另一个杀手级应用。