5G
拒当 5G 时代的局外人: 相关封装测试项目, 你准备好了吗?
5G 世代正迈开大步,引领全球半导体产业主流应用
全球各个国家与地区陆续进行5G商转,当5G进入高速发展阶段,相关装置预计大举出现在市面上,包括网络基础建设、连网设备和节点、行动终端等。
5G网络速率更快、使用频段更高、链接规模更大、网络等待时间更低、连网可靠性更高,这些技术规格的全面提升,使得产品设计难度大幅提高。如何达成效能目标,除了从芯片、架构、系统设计等层面提升之外,更需要透过良好的产品验证测试及分析,方能协助达成5G的技术目标。
先进封装技术,满足5G芯片效能需求
5G技术致力于更快的传输速度、庞大的信息传递及低延迟的特性,对于工艺技术的需求更胜以往,如何能够让产品效能更上一层楼,可以从以下两个方向共同发展:
- 工艺微缩:能在有限的空间内提升运算的速度
- 先进封装:藉由先进封装解决产品尺寸过大、耗电及散热等问题并利用封装方式将天线埋入终端产品以提升传输速度
因工艺的微缩,设备建置成本、良率与技术的难度也随之增高,故此朝向「先进封装」的方向来达到提升效能、改善工艺成本与物理限制是目前的主流方式。
针对5G装置的先进封装需求,其可分为终端应用以及云端应用两个层面来探讨:
终端装置的高阶封装需求
终端装置包含应用在手机以及笔记本电脑(NB)的部分,如以5G手机为例,其应用讲求轻薄短小、传输快速,且整体效能取决于核心的应用处理器AP(Application Processor) 芯片。当然随着5G高频波段的使用,负责传输讯号的天线设计也须随之改变。
以下将针对应用处理器与天线做进一步的说明:
1. 5G手机的应用处理器(Application Processor,AP)
AP性能的提升除了晶圆工艺的微缩外,就是依靠封装技术的协助。其形式主要是以POP(Package on package)封装为主,藉由POP的方式来堆栈DRAM能有效提升芯片间的传输效率并减少所需的体积。其连接方式从传统的打线(wire bonding)、覆晶(Filp chip)一路演进到目前的扇出型(Fan-out)封装。扇出型封装主要是利用RDL布线减少载板(substrate)的使用,如下示意图
藉此减少载板的使用,间接达到效能提升、改善散热、降低产品尺寸及成本的目的,因此在AP的IC选择上,多以Fan out POP(Package on package)封装型式为主。
2. 天线
随着5G将高频毫米波频段导入商用,使得5G讯号从1GHz以下,延伸至超过30GHz,装置对于天线的需求更胜以往,使得天线尺寸、路径损耗以及讯号的完整性必须被加以考虑
- 天线尺寸:由于天线体积取决于频率,随着更高频波段毫米波(mmWave)的使用,天线将能有效的缩小尺寸至毫米等级。
- 信号完整性:透过增加天线数量进行发送及接受讯号,能使得数据传输的速度更快,更精确
- 路径损耗:高频波段穿透性强,但穿透所造成的能量耗损以及干扰会使得有效传输距离变短
因此在天线数量激增、可用面积维持不变的情况,天线封装(Antenna in Package,AiP)封装型式,则成为目前厂商的最佳解决方案,AiP主要采SiP(System in Package)或PoP的结构将RF芯片置入封装以达到缩小体积、减少传输的距离以降低讯号传输时造成的耗损的目的。结构上可利用RF芯片的位置将结构区分成两种,一种是包含在substrate内部的结构,另一种则是将RFIC置于substrate外侧的结构。
云端装置的高阶封装需求
云端装置包含基地台及服务器的应用,由于需处理庞大的数据讯息,则着重在效能及散热方面,因此以高速运算(HPC)芯片为主,多采用2.5D/3D的大型整合型封装结构,来提升讯号传递的速度与质量。
其主要是藉由PCB substrate、Silicon interposer、RDL 的重新组合来作为芯片之间沟通的桥梁,对比于传统的substrate 线距可缩小四至五倍,如下图:
线宽、线距的缩小能有效增加封装的pin count 以及缩短讯号延迟时间,提升整体系统效能。
5G芯片异质整合当道,不可忽视背后的技术挑战与验证分析
封装结构、材料的改变将会影响可靠度以及生产的结果,例如,热膨胀系数不匹配(CTE mismatch)、翘曲(warpage)、表面黏着技术(SMT)状况等导致板阶可靠性(Board Level Reliability)异常,都是常见的问题。
技术挑战
1. 热膨胀系数不匹配(CTE mismatch)
不同的材料具有不同的热膨胀系数(coefficients of thermal expansion,CTE),随着温度的变化使得材料的膨胀状况不一,因此会产生材料应力(material stress)。由于5G封装内堆栈了多种异质芯片,应力释放的过程将更容易导致裂痕或脱层的现象并影响芯片的运作。
「热」永远是产品可靠度的第一杀手,特别是同一封装中纳入不同芯片的温度耐受度不一,芯片外部温度、系统温度也会产生影响。
2. 翘曲(Warpage)
由于5G先进封装异质整合芯片堆栈较以往复杂,且封装体积有扩大的趋势,容易导致substrate严重的翘曲(Warpage)。特别是在进行表面黏着技术(SMT)时,因高温使得翘曲更加严重导致无法顺利焊接于PCB板上。除此之外warpage也可能导致双球(Head in Pillow)的现象,进而造成可靠度测试早夭的问题。
3. 其他
高功率、高效能的产品主要是利用2.5DIC、3DIC封装,因此需考虑散热及warpage问题,通常会搭配散热盖(heat sink)的设计来同步解决问题,但因其重量较重,在SMT过程中容易将锡球压扁导致短路(bridge)等问题。
5G先进封装芯片验证分析
基于5G先进封装芯片的特性,所以在研发设计时间,包括先进封装芯片翘曲的程度、异质材料整合的材料分析、在锡球上的表面黏着(SMT)状况,以及温度变化下,是否对于锡球、硅中介层接合有所影响等,都需要进行细部验证。
1. 严重翘曲导致SMT失效、测试问题
先进封装产品内部设计复杂度提高、尺寸的扩大,导致产品翘曲程度变严重,其结果会影响SMT上件的困难度以及测试socket接触不良等问题
针对此问题,宜特备有量测翘曲的设备(Shadow moire),可仿回流焊(reflow)过程中组件与PCB 翘曲的程度,藉此调整SMT参数设定,确保SMT过程中有良好的焊接质量。
2. CTE mismatch验证
组件在长期运作的状况下,因环境温湿度的改变,材料交界处常因CTE mismatch而产生内应力,进而造成脱层及裂影响组件的运作。可藉由进行环境可靠度的测试,包括uHAST、TCT、Multi-reflow等模拟实际使用的状况,以确保未来在变更材料、改变设计的状况下,组件依旧能良好的运作。
对此宜特提供可靠性测试规范的咨询,以及失效后一连串分析的服务,以协助客户厘清组件异常的可能原因
3. 先进封装结构复杂,难以用常规手法检测
封装结构的改变,导致进行可靠性验证后,针对脱层等无法被电测出的异常难以用常规的手法(2D x-ray ,SAT ,FIB ,etc)直接进行检测。对此宜特可针对不同的封装结构,提供完整的建议,例如2.5D IC封装进行reflow后确认散热膏是否有脱层等。