De nya tekniska lösningarna för avancerade SiP-enheter

Under många år, system-i-paketet (SiP)-teknologi har varit ett fokus för halvledarförpackningar för att möta den pågående marknadstrenden med systemintegration och storleksminskning. Dagens ökade komplexitet och högre förpackningstäthet för SiP-enheter har drivit utvecklingen av nya förpackningsteknologier. Som svar gör kompartmental shield-teknologi det möjligt att lägga flera funktioner i en enda SiP utan störningar mellan chipsen, och dubbelsidig monteringsteknik ökar chipdensiteten avsevärt. Mer utmanande krav från kunder på högteknologiska marknader kräver ytterligare forskning om SiP-teknik. Denna rapport kommer att diskutera teknologier som för närvarande tillämpas på SiPs och förutsäga vad som kan förväntas i framtiden.

Beskrivning

För att bättre förstå system-in-package (SiP)-teknik är det nödvändigt att se över varför SiP-marknadsandelen har ökat dramatiskt, vilka områden som kräver fokus för framtida SiPs, och vilka typer av lösningar som finns tillgängliga för avancerade SiPs. Det finns flera fördelar med SiPs, såsom time to market, integrerad funktion med bra avkastning, miniatyrisering, kostnadsbesparingar och tillförlitlighet.

Fig. 1: Funktionsintegration i SiP.

När det gäller time to market krävde kunderna mycket kort utvecklingstid innan produktion. För att få bättre prestanda ändrades passiven runt formen för att uppnå önskad funktionalitet utan att revidera formen, vilket skulle kräva mer tid. Det är just därför en SiP-design valdes för RF-enheter som kräver finjustering för att möta de krävande specifikationerna från kunderna.

För att implementera komplexa funktioner krävs integrering av teknik för varje funktion. Med SiPs sker denna integration inom paketet. För komplexa produkter ger SiPs bra utbyte eftersom fel i enskilda komponenter avvisas på formnivån innan de installeras i dyra förpackningar. För att förbättra avkastningen under produktionen och minska dessa typer av avfall föredrar slutkunderna SiP-enheter som placerar små komponenter i förpackningen och inte på huvudkortet.

SiP är fysiskt större än motsvarande system på chip (SoC)-konfiguration. SiP erbjuder dock avsevärda storleksminskningsfördelar jämfört med komponentintegreringen som sker på moderkortsnivå. Placeringen av många komponenter i SiPs sker vid höga hastigheter – mer än 20 gånger snabbare än en konventionell chipfästemaskin för PNP-transistorer.

Fig. 2: SiP med fackskydd.

På senare tid har falltestning blivit mycket viktig på grund av de ökade kraven på bärbara och bärbara produkter. Små komponenter på konventionella kort har problem i falltester. Så, vissa kunder har begärt applicering av en överform på komponenter med fackskärm för att förhindra elektriska störningar.

Marknadstrender för 5G

Figur 3 visar marknadsutsikterna för smartphone SiPs i 5:e generationen (5G) trådlös kommunikationsteknik. Fortsatta framsteg inom trådlös kommunikationsteknik har krävt fler SiPs i smartphones. Med trådlös 1G-teknik var röstkommunikation möjlig. Med 2G var text med röstkommunikation möjlig. Framsteg till 3G möjliggjorde internetanvändning med mycket låg hastighet och introduktionen av smarttelefonen. För 4G är hastigheten nästan densamma som trådbunden teknik. Så internetspel och olika applikationer inklusive videokommunikation var möjliga och gjorde smartphonen till ett måste i vardagen. Företag som Netflix, YouTube och Uber lanserades och/eller ökade dramatiskt med 4G. Med 5G-teknik blir autonoma fordon, augmented reality (AR), virtuell verklighet (VR) och många Internet of Things (IoT)-applikationer möjliga.

Fig. 3: Marknadsutsikter för smartphone SiP-paket.

Vad är skillnaden med 5G-teknik jämfört med 4G? Fram till 4G användes trådlös kommunikationsteknik främst på smartphones. Med 5G används det inte bara för smartphones utan också för fordons-, konsument- och datormarknadssegment (nätverk). Denna ökade användning kommer att kräva förbättring av realtidssvar med 20 gånger snabbare dataöverföringshastighet och låg latens på ~ 0.001s. Låg latens är en av de största funktionerna för att möjliggöra autonoma fordon. Det tillåter också massanslutningsteknik med såväl saker som människor. Men med övergången från 4G till 5G kommer allt inte att förändras på en gång. Liksom 4G-implementering kommer stegvis förbättrade plattformar att tillkännages, vilket kommer att kräva utvecklingstid för monteringspaket för att accelerera.

Fig. 4: Systemintegrationsmetoder.

Med SoC-teknik är integrationen av elektroniska kretsar på chip möjlig – den högsta integrationen och bättre prestanda. Det är dock inte lätt att implementera SoCs på grund av höga icke-återkommande ingenjörskostnader (NRE), lång utvecklingstid, svårighet att finjustera och en hög teknisk tröskel.

Däremot är System-on-Board (SoB) integrationen av paket på det tryckta kretskortet (PCB). Det var ett mycket populärt med 3G-teknik där den trådlösa kommunikationshastigheten är långsammare än trådbunden kommunikationsteknik. Den har flexibel integration och kort utvecklingstid. Det har dock också nackdelar, som att kräva mer yta för systemimplementering och högre kostnad från avkastningsförlust, vilket, med mer avancerade teknologitillämpningar, ökar kostnaden för avkastningsförlust. Med tillämpning av 5G-teknik försvinner kravet på SoB.

SiPs integrerar aktiva och passiva komponenter i paketet. Med heterogen integration är det möjligt att miniatyrisera utan hög NRE och finjustera för att undvika långa utvecklingstider. SiP:er har också en nackdel med monteringsavkastningsförlust genom ökad integration av mindre ytor.

Nuvarande SiP-lösning

Fig. 5: DSMBGA-struktur.

Idag, en dubbelsidig gjuten kulraster (DSMBGA) SiP är vad kunderna vill använda i sina produkter (se figur 5). För bara ett år sedan introducerades den dubbelsidiga monteringen utan mögel på undersidan på marknaden. Men observerade misslyckanden i falltestning för mobila enheter krävde en "utehållszon" för kapillär underfyllning på Flip chip (FC) dö. Andra problem inkluderar sprickor på tunn FC-matris under undersidans ytmonteringsteknik (SMT) och en instabil elektromagnetisk interferens (EMI)-skärm på bottenområdet. DSMBGA löste dessa problem.

Advanced Open water designregler att integrera så många funktioner som den nuvarande tekniken tillät användes på ovansidan. Fin-pitch flip chip dyna med gjuten underfyllning, passiv som har lägre höjd än den tunna FC-matrisen, och fackskydd för att förhindra elektriska störningar på ovansidan implementerades. Bland dessa artiklar gjorde fackskyddsteknologi SiP:n mer attraktiv för kunderna eftersom den kunde integrera olika funktioner i paketet. En kulutsprångsstruktur på formytan minskar spänningen under falltestet och bandslipningstekniken gör tunn form utan risk för sprickbildning möjlig. En EMI-sköld på förpackningen skyddar det känsliga systemet från närliggande förpackningar och det har drivit miniatyriseringen av mobilitetsprodukter.

Fig. 6: Avancerade designregler.

För högre integration genom avancerade designregler krävs avancerad SMT-modulmontering för att ta bort manuell hantering. Speciellt efter plockning och placering bör substratet matas till återflöde utan hantering eftersom även mycket mindre felinriktning kan ha en allvarlig påverkan. För närvarande utvecklades laser assist bonding (LAB) teknologi för att förhindra även mindre hantering under återflöde. Den behöver dock vidareutvecklas för laserlödning genom olika material som inte bara är Si utan även keramik, GaAs, epoxiformmassa (EMC), etc.

Oavsett hur snäva designreglerna är, kan problem uppstå bortom normal eller onormal kontroll under massproduktion. Till exempel är höghastighetsoperationer inklusive pick and place svåra för kvalitetskontroll utan manuell hanteringsinspektion. Med dagens nuvarande avancerade teknik, realtidsinspektionsverktyg som en lödpastainspektionsmaskin och en Auto optisk inspektion maskinen konfigurerades till en SMT-modul för att förhindra massiva defekter under SMT även om screening inte utförs för defekter efter lödning.

För integration på paketnivå krävs spårbarhet av inte bara varje del utan även varje monteringsvillkor för att definiera grundorsaken till en defekt som fastställts av en testplatsskärm eller rapporterats av slutkunden. Som ett kundkrav för spårbarhet applicerades en 2D streckkodsmärkning på förpackningen för flera år sedan. Det är dock fortfarande under utveckling för detaljerad spårbarhet av föremål såsom delar som appliceras under montering och formkoordinater på en wafer.

Den främsta anledningen till att det är svårt att tillämpa snäva och avancerade designregler är lodbrodefekter för varje del under SMT-montering. För att optimera lödtryckskvaliteten är det inte bara viktigt att ha screentryckare och schablonkvalitet utan också att ha exakta stencil- och fotavtrycksdesigner på substratet och att genomföra en betydande ansträngning för att minska obalansen mellan substratet och stencilen.

Fig. 7: Fackskyddsmetoder.

Med kompartmental shield-teknik är det möjligt att integrera olika funktioner i SiPs även om vissa delar är känsliga för elektriska störningar. Interferens kan förhindras genom korrekt sköldprestanda och geometridesign.

Till exempel utvecklades dikes- och fyllningsteknik för flera år sedan. Det krävdes en relativt stor yta att implementera utan att tomrum uppstod under fyllningen och för att uppnå en stabil dikesform. Det fyllda materialet anslöts till EMI-skärmning på formytan.

Med trådburteknologi är skärmning möjlig utan en EMI-skärm på formytan. Det erforderliga området för avskärmning med denna teknik är mindre än en metallkåpa. Trådstängselteknik appliceras huvudsakligen med laserspår på formytan. Trådarna som exponeras med laserspår är anslutna till EMI-skärmning på formytan.

Slutligen finns det kundintresse för vertikal trådteknik eftersom det krävs utrymme är mindre än andra tekniker och det kan implementera fin stigning på ett smalt spår.

För att minska utrymmet för att exponera tråd används bandslipningsteknik istället för laserspår som påverkar spelet mellan komponent och laserspårad yta.

Diskussion

Inbäddning av komponenter i substratteknik tillämpades på vissa enheter även om det krävde utveckling för att förbättra utbytet. Dessutom har konform- och fackskyddsteknik använts för SiP-integration. Dubbelsidig monteringsteknik möjliggjorde hög integration genom att fylla på komponenter på båda plan. 5G-antennen, som är mycket viktig för 5G-tekniken, utvecklades från början för en SiP-struktur.

Fig. 8: Nästa tillämpliga struktur för SiP.

Den utvecklade fackskyddsteknologin möjliggör ökad integration av olika funktioner i SiPs.

Det är möjligt att minska X/Y- och Z-paketstorleken med befintliga monteringspaketteknologier, som är Package-on-Package (PoP), kavitetsstrukturer, 2.5D/3D, förpackningsförtunning genom slipning och ett gjutet inbäddat paket (MEP). Det kan antas att fyllande komponenter på flera plan, såsom MEP-teknik, kommer att tillämpas på framtida SiP-enheter. Fin pitch I/O-teknik, även om komponenterna är placerade på samma sida, kräver vidareutveckling.

För ytterligare miniatyrisering genom hög integration måste termisk frigöring och tillförlitlighetsfrågor också beaktas och åtgärdas.

Slutsats

SiP-teknologin integrerar aktiva och passiva komponenter i paketet. Med denna heterogena integration är det möjligt att uppnå miniatyrisering utan att ådra sig hög NRE och minska tiden till utveckling genom finjustering. Emellertid har den också nackdelen att monteringsutbytet förlust genom högre integration av komponenter med liten yta.

För högre integration utan avkastningsförlust krävs en avancerad SMT-modulkonfiguration för högre noggrannhet och stabil kvalitetskontroll. Men oavsett hur snäva designreglerna är, kan problem uppstå bortom normal eller onormal kontroll under massproduktion. Höghastighetsoperationer, inklusive val och plats, är svåra för kvalitetskontroll utan manuell hanteringsinspektion. Med dagens nuvarande avancerade teknologi konfigurerades realtidsinspektionsverktyg som en lödpastainspektionsmaskin och en automatisk optisk inspektionsmaskin till en SMT-modul för att förhindra massiva defekter under SMT även om screening inte utförs för defekter efter lödning.

Med kompartmental shield-teknik är det möjligt att integrera olika funktioner i SiPs även om vissa delar är känsliga för elektriska störningar. Interferens kan förhindras genom korrekt sköldprestanda och geometridesign.

Bland de många skärmningsteknikerna kräver vertikal trådteknik mindre utrymme än andra tekniker och den kan implementera fin stigning på ett smalt spår.

För att minska utrymmet för att exponera tråd används bandslipningsteknik istället för laserspår som påverkar spelet mellan komponent och laserspårad yta.

Det är möjligt att minska X/Y- och Z-paketstorlekarna med befintliga monteringspaketteknologier. Men för ytterligare miniatyrisering genom hög integration måste termisk frisättning och tillförlitlighetsfrågor också övervägas och åtgärdas.

Bekräftelse
Författaren vill uttrycka tack till alla teammedlemmar vid processutvecklingscentret i Amkor Technology Korea R&D för deras bidrag och entusiasm i att utveckla DSMBGA-paketet.

Referensprojekt
1) HeeSung Kim, YoungSuk Kim, TaeKyeong Hwang från Amkor Korea Co., "DSMBGA Development and Risk Assessment," Concept of DSMBGA and Implementation History, Amkor internt dokument som släpptes i mars 2019

2) Nozad Karim från 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 Internal Document släppt i september 2019

4) "Market Outlook för Smartphone SiP-paket" Yole-rapport 2019

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