De nye teknologiløsninger til avancerede SiP-enheder

I mange år, system-i-pakke (SiP) teknologi har været et fokus for halvlederemballage for at imødegå den igangværende markedstendens med systemintegration og størrelsesreduktion. Dagens øgede kompleksitet og højere pakketæthed for SiP-enheder har drevet udviklingen af ​​nye pakketeknologier. Som svar gør kompartmental shield-teknologi det muligt at sætte flere funktioner ind i en enkelt SiP uden interferens mellem chipsene, og dobbeltsidet samlingsteknologi øger chiptætheden markant. Mere udfordrende krav fra kunder på højteknologiske markeder kræver endnu mere forskning i SiP-teknologi. Denne rapport vil diskutere teknologier, der i øjeblikket anvendes til SiPs, og forudsige, hvad man kan forvente i fremtiden.

Introduktion

For bedre at forstå system-in-package (SiP) teknologi, er det nødvendigt at gennemgå, hvorfor SiP markedsandel er steget dramatisk, hvilke områder der kræver fokus for fremtidige SiPs, og hvilke slags løsninger der er tilgængelige for avancerede SiPs. Der er flere fordele ved SiP'er, såsom time to market, integreret funktion med godt udbytte, miniaturisering, omkostningsbesparelser og pålidelighed.

Fig. 1: Funktionsintegration i SiP.

Med hensyn til time to market krævede kunderne meget kort udviklingstid forud for produktionen. For at få bedre ydeevne blev passiver omkring matricen ændret for at opnå den nødvendige funktionalitet uden at revidere matricen, hvilket ville kræve mere tid. Det er specifikt grunden til, at et SiP-design blev valgt til RF-enheder, som kræver finjustering for at opfylde de krævende specifikationer fra kunderne.

For at implementere komplekse funktioner kræves integration af teknologi for hver funktion. Med SiPs sker denne integration i pakken. For komplekse produkter giver SiP'er et godt udbytte, da fejl i individuelle komponenter afvises på matriceniveau før installation i dyre pakker. For at forbedre udbyttet under produktionen og reducere disse typer af kasseringer foretrækker slutkunder SiP-enhederne, som placerer små komponenter i pakken og ikke på hovedkortet.

SiP er fysisk større end den tilsvarende system på chip (SoC) konfiguration. SiP tilbyder dog betydelige størrelsesreduktionsfordele sammenlignet med komponentintegration, der finder sted på systemkortniveau. Placeringen af ​​mange komponenter i SiP'er sker ved høje hastigheder - mere end 20 gange hurtigere end konventionel chip-tilslutningsmaskine til PNP-transistorer.

Fig. 2: SiP med rumskærm.

For nylig er faldtest blevet meget vigtigt på grund af de øgede krav til bærbare og bærbare produkter. Små komponenter på konventionelle plader har problemer i faldtest. Så nogle kunder har anmodet om anvendelse af en overstøbning på komponenter med rumskærm for at forhindre elektrisk interferens.

Markedstendenser for 5G

Figur 3 viser markedsudsigterne for smartphone SiPs i 5. generation (5G) trådløs kommunikationsteknologi. Fortsatte fremskridt inden for trådløs kommunikationsteknologi har krævet flere SiP'er i smartphones. Med 1G trådløs teknologi var talekommunikation mulig. Med 2G var tekst med stemmekommunikation muligt. Fremskridt til 3G tillod internetbrug med meget langsom hastighed og introduktionen af ​​smartphonen. For 4G er hastigheden næsten den samme som kablet teknologi. Så internetspil og forskellige applikationer inklusive videokommunikation var mulige og gjorde smartphonen til et must i hverdagen. Virksomheder som Netflix, YouTube og Uber blev lanceret og/eller steget dramatisk med 4G. Med 5G-teknologi bliver autonome køretøjer, augmented reality (AR), virtual reality (VR) og adskillige Internet of Things (IoT)-applikationer mulige.

Fig. 3: Markedsudsigter for smartphone SiP-pakker.

Hvad er anderledes med 5G-teknologi sammenlignet med 4G? Indtil 4G blev trådløs kommunikationsteknologi hovedsageligt anvendt på smartphones. Med 5G bruges det ikke kun til smartphones, men også til bil-, forbruger- og computermarkedssegmenter (netværk). Denne øgede brug vil kræve forbedring af realtidsrespons med 20 gange hurtigere dataoverførselshastighed og lav latenstid på ~ 0.001s. Lav latenstid er en af ​​de største funktioner til at aktivere autonome køretøjer. Det tillader også masseforbindelsesteknologi med ting såvel som mennesker. Men med overgangen fra 4G til 5G vil alt ikke ændre sig på én gang. Ligesom 4G-implementering vil trinvist forbedrede platforme blive annonceret, hvilket vil kræve udviklingstid for monteringsemballage for at accelerere.

Fig. 4: Systemintegrationsmetoder.

Med SoC-teknologi er integration af elektroniske kredsløb på chip mulig - den højeste integration og bedre ydeevne. Det er dog ikke let at implementere SoC'er på grund af høje ikke-tilbagevendende ingeniøromkostninger (NRE), lang udviklingstid, vanskeligheder med at finjustere og en høj teknisk tærskel.

I modsætning hertil er System-on-Board (SoB) integrationen af ​​pakker på printkortet (PCB). Det var et meget populært med 3G-teknologi, hvor den trådløse kommunikationshastighed er langsommere end kablet kommunikationsteknologi. Det har fleksibel integration og kort udviklingstid. Det har dog også ulemper, såsom at kræve mere areal til systemimplementering og højere omkostninger fra udbyttetab, hvilket med mere avancerede teknologiapplikationer øger omkostningerne ved udbyttetab. Med anvendelse af 5G-teknologi forsvinder kravet om SoB.

SiP'er integrerer aktive og passive komponenter i pakken. Med heterogen integration er det muligt at miniaturisere uden høj NRE og finjustere for at undgå lange udviklingstider. SiP'er har også en ulempe ved monteringsudbyttetab ved øget integration af mindre områder.

Nuværende SiP-løsning

Fig. 5: DSMBGA-struktur.

I dag er en dobbeltsidet støbt kuglegitter-array (DSMBGA) SiP er det, kunderne ønsker at bruge i deres produkter (se figur 5). For blot et år siden blev den dobbeltsidede samling uden form på undersiden introduceret på markedet. Imidlertid krævede observerede fejl i faldtestning for mobile enheder en "holde ude-zone" for kapillær underfyldning på flip chip (FC) dø. Andre problemer omfatter revner på tynd FC-matrice under den nederste side overflademonteringsteknologi (SMT) og et ustabilt elektromagnetisk interferens (EMI) skjold på bundområdet. DSMBGA løste disse problemer.

Avanceret design regler at integrere så mange funktioner, som den nuværende teknologi tillod, blev anvendt på oversiden. Fin-pitch flip-chip-matrice med støbt underfill, passiver, der har lavere højde end den tynde FC-matrice, og rumafskærmning for at forhindre elektrisk interferens på oversiden blev implementeret. Blandt disse elementer gjorde kompartmental shield-teknologi SiP'en mere attraktiv for kunderne, da den kunne integrere forskellige funktioner i pakken. En kuglefremspringsstruktur på formoverfladen reducerer belastningen under faldtesten, og strimmelslibeteknologien muliggør en tynd matrice uden risiko for revner. Et EMI-skjold på pakken beskytter det følsomme system mod pakker i nærheden, og det har drevet miniaturiseringen af ​​mobilitetsprodukter.

Fig. 6: Avancerede designregler.

For højere integration gennem avancerede designregler kræves avanceret SMT-modulsamling for at fjerne manuel håndtering. Især efter at have plukket og anbragt skal substratet tilføres til reflow uden håndtering, fordi selv meget mindre forskydninger kan have en alvorlig indvirkning. I øjeblikket er laser assist bonding (LAB) teknologi udviklet for at forhindre selv mindre håndtering under reflow. Den skal dog videreudvikles til laserlodning gennem forskellige materialer, som ikke kun er Si, men også keramik, GaAs, epoxystøbemasse (EMC) osv.

Uanset hvor stramme designreglerne er, kan der opstå problemer uden for normal eller unormal kontrol under masseproduktion. For eksempel er højhastighedsoperationer inklusive pick and place vanskelige for kvalitetskontrol uden manuel håndteringsinspektion. Med nutidens nuværende avancerede teknologi, inspektionsværktøjer i realtid, såsom en loddepasta-inspektionsmaskine og en Auto optisk inspektion maskinen blev konfigureret til et SMT-modul for at forhindre massive defekter under SMT, selvom screening ikke udføres for defekter efter lodning.

Til integration på pakkeniveau kræves sporbarhed af ikke kun hver del, men også hver monteringsbetingelse for at definere grundårsagen til en defekt, som er bestemt af en testsideskærm eller rapporteret af slutkunden. Som et kundekrav for sporbarhed blev der for flere år siden påført en 2D stregkodemærkning på pakken. Det er dog stadig under udvikling med henblik på detaljeret sporbarhed, såsom dele påført under samling og matricekoordinater på en wafer.

Hovedårsagen til, at det er vanskeligt at anvende stramme og avancerede designregler, er loddebrodefekter for hver del under SMT-montage. For at optimere loddetrykskvaliteten er det ikke kun vigtigt at have screenprinter- og stencilkvalitet, men også at have nøjagtige stencil- og footprint-puderdesign på underlaget og at gennemføre en betydelig indsats for at reducere misforholdet mellem underlaget og stencilen.

Fig. 7: Kompartmentale skjoldmetoder.

Med kompartmental shield-teknologi er det muligt at integrere forskellige funktioner i SiP'er, selvom nogle dele er følsomme over for elektrisk interferens. Interferens kan forhindres ved korrekt skjoldydeevne og geometridesign.

For eksempel blev grøft- og fyldteknologi udviklet for flere år siden. Det krævede et relativt stort areal at implementere uden at der opstod hulrum under fyldning og at opnå en stabil rendeform. Det fyldte materiale blev forbundet til EMI-afskærmning på formoverfladen.

Med wire cage-teknologi er afskærmning mulig uden et EMI-skjold på formoverfladen. Det nødvendige område til afskærmning ved hjælp af denne teknologi er mindre end et metaldæksel. Trådhegnteknologi anvendes hovedsageligt med laserriller på formoverfladen. Trådene, der er eksponeret ved laserrilling, er forbundet til EMI-afskærmning på formoverfladen.

Endelig er der kundeinteresse for vertikal trådteknologi, fordi den nødvendige plads er mindre end andre teknologier, og den kan implementere fin pitch på et smalt spor.

For at reducere pladsen til at frilægge tråd, anvendes båndslibeteknologi i stedet for laserrille, hvilket påvirker afstanden mellem komponenten og laserrillet overflade.

Diskussion

Indlejring af komponenter i substratteknologi blev anvendt på nogle enheder, selvom det krævede udvikling for at forbedre udbyttet. Også konform og kompartmenteret skjoldteknologi er blevet brugt til SiP-integration. Dobbeltsidet samlingsteknologi gjorde høj integration mulig ved at indsætte komponenter på begge planer. 5G-antennen, som er meget vigtig for 5G-teknologien, blev oprindeligt udviklet til en SiP-struktur.

Fig. 8: Næste anvendelige struktur for SiP.

Den udviklede kompartmentale skjoldteknologi tillader øget integration af forskellige funktioner i SiP'er.

Det er muligt at reducere X/Y- og Z-pakkestørrelsen med eksisterende samlingspakketeknologier, som er Package-on-Package (PoP), hulrumsstrukturer, 2.5D/3D, pakkefortynding ved slibning og en støbt indlejret pakke (MEP). Det kan antages, at populating komponenter på multi-planes, såsom MEP teknologi, vil blive anvendt på fremtidige SiP enheder. Fin pitch I/O-teknologi, selvom komponenterne er placeret på samme side, kræver videreudvikling.

For yderligere miniaturisering gennem høj integration skal termisk frigivelse og pålidelighedsproblemer også overvejes og behandles.

Konklusion

SiP-teknologi integrerer aktive og passive komponenter i pakken. Med denne heterogene integration er det muligt at opnå miniaturisering uden at pådrage sig høj NRE og reducere tiden til udvikling ved finjustering. Det har imidlertid også den ulempe, at monteringsudbyttetab ved højere integration af små arealkomponenter.

For højere integration uden tab af udbytte kræves en avanceret SMT-modulkonfiguration for højere nøjagtighed og stabil kvalitetskontrol. Men uanset hvor stramme designreglerne er, kan der opstå problemer uden for normal eller unormal kontrol under masseproduktion. Højhastighedsoperationer, herunder pick and place, er vanskelige for kvalitetskontrol uden manuel håndteringsinspektion. Med nutidens nuværende avancerede teknologi blev inspektionsværktøjer i realtid såsom en loddepasta-inspektionsmaskine og en autooptisk inspektionsmaskine konfigureret til et SMT-modul for at forhindre massive defekter under SMT, selvom screening ikke udføres for defekter efter lodning.

Med kompartmental shield-teknologi er det muligt at integrere forskellige funktioner i SiP'er, selvom nogle dele er følsomme over for elektrisk interferens. Interferens kan forhindres ved korrekt skjoldydeevne og geometridesign.

Blandt de mange afskærmningsteknologier kræver vertikal trådteknologi mindre plads end andre teknologier, og den kan implementere fin stigning på et smalt spor.

For at reducere pladsen til at frilægge tråd, anvendes båndslibeteknologi i stedet for laserrille, hvilket påvirker afstanden mellem komponenten og laserrillet overflade.

Det er muligt at reducere X/Y- og Z-pakkestørrelserne med eksisterende samlepakketeknologier. Men for yderligere miniaturisering gennem høj integration skal termisk frigivelse og pålidelighedsproblemer også overvejes og behandles.

Anerkendelse
Forfatteren vil gerne udtrykke tak til alle teammedlemmer i procesudviklingscentret i Amkor Technology Korea R&D for deres bidrag og entusiasme i udviklingen af ​​DSMBGA-pakken.

Referencer
1) HeeSung Kim, YoungSuk Kim, TaeKyeong Hwang fra Amkor Korea Co., "DSMBGA Development and Risk Assessment," Concept of DSMBGA and Implementation History, Amkor internt dokument udgivet i marts 2019

2) Nozad Karim fra Amkor Technology, Inc. "SiP Solution for 5G Technology Needs China SiP 2019" Advanced Design Rule Application, Integration of SiP by Compartment Shield, SiP Conference China (september 2019)

3) Ron Huemoeller Corporate Vice President, Head of WW R&D, SungSoon Park Sr. Director, R&D System Project "Amkor Technology Roadmap 2019-2021," Amkor Internt Dokument udgivet i september 2019

4) "Marked Outlook for Smartphone SiP-pakker" Yole-rapport 2019

Kilde: https://semiengineering.com/the-new-technology-solutions-for-advanced-sip-devices/