據(jù)麥姆斯咨詢介紹，芯片及系統(tǒng)外形尺寸的發(fā)展趨勢是越做越小，嵌入式芯片封裝因此找到了新的需求。

根據(jù)Yole的報(bào)告，日月光（ASE）、奧特斯（AT&S）、通用電氣（GE）、新光（Shinko）、太陽誘電（Taiyo Yuden）、TDK、Würth Elektronik等公司都在商業(yè)嵌入式芯片封裝市場中展開激烈的競爭。事實(shí)上，在這場競爭中，ASE與TDK聯(lián)手合作提高產(chǎn)量。此外，德州儀器（Texas Instruments，TI）和其他集成電路制造商也開發(fā)了各自的嵌入式芯片封裝。

嵌入式芯片封裝與大多數(shù)封裝類型并不相同。一般來說，在許多集成電路封裝中，器件位于基板的頂部?；宄洚?dāng)器件與封裝板間“橋梁”的角色。

“嵌入式封裝”一詞有著不同的含義。但是在嵌入式芯片封裝的世界中，指采用多步驟制造工藝將元器件嵌入到基板中。單芯片、多芯片、MEMS或無源元器件均可以并排式（side-by-side）方式嵌入到有機(jī)層壓基板（organic laminate substrate）之中。這些元器件均通過鍍銅的通孔（via）連接起來?？偠灾?，通過嵌入式封裝，就可以釋放系統(tǒng)中的空間。

圖1：TDK嵌入式芯片封裝工藝，稱為SESUB（來源：TDK，Prismark）


嵌入式芯片封裝并不是一項(xiàng)新技術(shù)，可由于工藝中存在各種各樣的挑戰(zhàn)，這項(xiàng)技術(shù)被歸為小眾應(yīng)用，但前景光明。例如，TDK最近使用其專有的嵌入式芯片技術(shù)，推出了世界上最小的藍(lán)牙模塊。此外，嵌入式芯片技術(shù)提供了可用于各種應(yīng)用的多個(gè)選項(xiàng)，如微型封裝、模塊及板上系統(tǒng)（system-in-boards，SiBs）等。

圖2：在TDK的工藝中，器件被嵌入四個(gè)極薄的基板疊層中，以微互連和通孔為主要特點(diǎn)，總高度為300μm

ASE的工程技術(shù)市場營銷總監(jiān)Mark Gerber說：“顯然，尺寸是將有源芯片嵌入基板中的驅(qū)動因素。在‘x’和‘y’軸上，會顯著地整體收縮。當(dāng)考慮版圖布線更大化時(shí)，這種微型化可讓設(shè)計(jì)多一些靈活性。如今嵌入式有源元器件的市場，主要圍繞著功率模擬器件領(lǐng)域。藍(lán)牙無線模塊（Bluetooth WiFi modules）的微型化特點(diǎn)，已成為嵌入式芯片封裝的主要應(yīng)用領(lǐng)域。其他應(yīng)用還包括手機(jī)市場的射頻模塊?！?/p>

嵌入式芯片封裝也有缺點(diǎn)。由于它結(jié)合了用于先進(jìn)封裝和印刷電路板（PCB）的技術(shù)，因此面臨一些制造方面的挑戰(zhàn)。此外，生態(tài)系統(tǒng)還相對不成熟。Yole的分析師Vivienne Hsu解釋道：“嵌入式芯片的成本仍然過高，且有時(shí)良率太低。”

盡管如此，這項(xiàng)技術(shù)還是在多方面取得了進(jìn)展，為客戶提供了另一種選擇。事實(shí)上，根據(jù)Hsu的說法，這項(xiàng)技術(shù)與扇出（fan-out）型封裝、引線框架封裝（leadframe packages）和功率模塊（power modules）封裝有重疊之處，有時(shí)還會相互競爭。

根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，嵌入式芯片封裝市場規(guī)模仍然較小，2017年至2018年，該市場規(guī)模預(yù)計(jì)將從1500萬美元增至1800萬美元。到2023年，該市場規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到5000萬美元。

多種封裝方式的選擇

嵌入式芯片封裝是眾多集成電路（IC）封裝類型中的一種?；旧?，IC封裝可分為三大類：引線框架封裝、晶圓級封裝（WLP）和基板級封裝。

第一類：引線框架封裝。用于模擬和其他市場的引線框架封裝系列涉及多種封裝類型，如方形扁平無引腳封裝（QFN）和方型扁平式封裝（QFP）。引線框架是金屬框架，裸片貼裝在框架上，用細(xì)引線連接。

圖3：QFN封裝示意圖（資料來源：維基百科）

第二類：晶圓級封裝（WLP）。這類封裝主要涉及扇入型（fan-in）和扇出型（fan-out）兩種封裝類型。WLP封裝時(shí)裸片還在晶圓上。一般來說，WLP是一種無基板封裝。WLP利用由布線層（routing layers）或重新布線層（RDL）構(gòu)成的薄膜來代替基板，該薄膜在封裝中提供電氣連接。

RDL不會直接與電路板連接。相反，WLP會在封裝體底部使用錫球，從而將RDL連接到電路板。

圖4：扇入型封裝、倒裝芯片與扇出型封裝技術(shù)的比較

第三類：基于基板的封裝。與此同時(shí)，基于基板的封裝可分為陶瓷基板與有機(jī)層壓基板等類別。陶瓷基板是基于氧化鋁、氮化鋁和其他材料制成。基于陶瓷基板的封裝通常用于表面貼裝器件（surface-mount devices）、CMOS圖像傳感器和多芯片模塊（multi-chip module）。

有機(jī)層壓基板通常用于2.5D/3D、倒裝芯片和系統(tǒng)級封裝（SiP）中。這類封裝的器件位于基板之上。有機(jī)基板的材料通常是FR-4或其他材料。FR-4是一種由環(huán)氧樹脂組成的玻璃纖維布。這些基板使用類似或相同的材料作為PCB。所以在某些圈子里，有機(jī)基板有時(shí)就被稱為PCB。有機(jī)基板也是多層技術(shù)，其中至少有兩層有機(jī)層被金屬層隔開。金屬層在封裝中充當(dāng)電遷移阻擋層（electromigration shield）。

通常情況下，IC會被封裝在電路板上，但這樣有時(shí)會占用系統(tǒng)中寶貴的電路板空間。因此為什么不把芯片嵌入到基板中以節(jié)省空間和成本呢？

這就是嵌入式芯片封裝的用武之地，并不會與扇出型封裝相混淆。在扇出型封裝中，裸片會被嵌入到環(huán)氧模壓樹脂（molded epoxy compound）填充的重新建構(gòu)晶圓（reconstituted wafer）中。

嵌入式芯片封裝是不同的。這些元器件被嵌入到多層基板中。美國TDK的高級戰(zhàn)略營銷經(jīng)理Nigel Lim解釋道：“IC會被嵌入基板的核心部位。核心部位是用特殊的樹脂做的，其他基板層均是標(biāo)準(zhǔn)的PCB材料”。

Lim說：“裸片通常是并排放置的。TDK對并排放置2~3個(gè)裸片有著豐富的經(jīng)驗(yàn)。如果是標(biāo)準(zhǔn)的4層基板，所有裸片都會被放置于2層與3層之間，且裸片不會堆疊?！?/p>

這樣排列好處較多。AT&S高級封裝業(yè)務(wù)部的首席執(zhí)行官Dietmar Drofenik和AT&S公司研發(fā)部的主任Hannes Vorarberger表示：“ECP技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有：促進(jìn)尺寸微型化、互連可靠、性能更高，并改善了對集成元器件的保護(hù)?！盇T&S是PCB和基板的供應(yīng)商，將其嵌入式技術(shù)稱為嵌入式元器件封裝（Embedded Component Packaging ，ECP）。

Drofenik和Vorarberger還補(bǔ)充道：“ECP還支持模塊化的趨勢，通過降低其他封裝技術(shù)的成本來實(shí)現(xiàn)。隱身的電子器件（嵌入式芯片）可有效防止逆向工程和造假。”

嵌入式芯片是將多個(gè)芯片集成到單個(gè)封裝體中的幾種方法之一，但并不是唯一選擇。TEL NEXX公司的戰(zhàn)略業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Cristina Chu說：“系統(tǒng)級封裝是最受歡迎的選擇。由于成本原因，扇出型封裝也有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＵ沁@些封裝解決方案為市場提供價(jià)格更低、技術(shù)更好的解決方案。”（ASM Pacific已宣布從TEL公司收購TEL NEXX的計(jì)劃。）

另一個(gè)選項(xiàng)是2.5D/3D。所有這些封裝類型為客戶提供了多種選擇。IC供應(yīng)商可繼續(xù)根據(jù)傳統(tǒng)的芯片尺寸的縮小規(guī)律來開發(fā)片上系統(tǒng)（SoC）產(chǎn)品，此外，只有少數(shù)供應(yīng)商能夠負(fù)擔(dān)得起先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)成本。

另一種獲得尺寸縮小好處的方法是將多個(gè)器件放在單個(gè)先進(jìn)封裝體中，這可能會以較低的成本提供SoC的功能。這就是所謂的異構(gòu)集成。

為什么嵌入式芯片這么流行？

多年來，這個(gè)行業(yè)一直以這樣或那樣的形式來實(shí)現(xiàn)嵌入式芯片和無源元器件的封裝，嵌入式芯片封裝可追溯到上世紀(jì)90年代，通用電氣（GE）和其他公司推出了該項(xiàng)技術(shù)。TechSearch International總裁Jan Vardaman說：“TI的MicroSIP并不是首個(gè)嵌入式芯片封裝，卻是最早那批之一。”

事實(shí)上，這項(xiàng)技術(shù)是在2010年開始興起的，當(dāng)時(shí)德州儀器公司（Texas Instruments，TI）推出了其MicroSiP電源模塊。該模塊將IC嵌入到基板中，其厚度僅為1mm。該產(chǎn)品配置之一是，TI將其PicoStar電源管理器件嵌入到基板中，并將無源元器件安裝在封裝體的頂部。

TI目前還在銷售MicroSiP。TI的Sreenivasan Koduri說：“我們正在將特別設(shè)計(jì)和制造的PicoStar封裝（不是IC）嵌入到基板/ PCB中。電路IP、PicoStar、嵌入芯片與無源芯片集成的組合，實(shí)現(xiàn)了價(jià)值定位。這就是這項(xiàng)技術(shù)得以突破先前解決方案的限制障礙的原因?！?/p>

圖5：TI MicroSiP的橫截面圖

其他公司在競爭中增強(qiáng)自身實(shí)力。2013年，GE收購了市場上的領(lǐng)先企業(yè)Imbera。2015年，ASE和TDK在競爭中成立了一家合資企業(yè)。根據(jù)Yole的報(bào)告，到2015年，該合資企業(yè)中的嵌入式芯片封裝業(yè)務(wù)規(guī)模達(dá)到了2400萬美元。但在2016年和2017年期間，該公司的業(yè)務(wù)出現(xiàn)了下滑，主要原因是該技術(shù)的關(guān)鍵市場（用于移動設(shè)備的攝像頭模塊）增速放緩。

此外，嵌入式芯片的產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期比預(yù)期的要長。TechSearch的Vardaman說：“良率是嵌入式芯片的主要挑戰(zhàn)之一?！?/p>

然而，如今嵌入式芯片封裝正呈現(xiàn)新的增長態(tài)勢。Yole的Hsu說：“這項(xiàng)技術(shù)正在逐漸復(fù)興，對數(shù)據(jù)中心這類有優(yōu)化熱管理需求的行業(yè)吸引力巨大。汽車行業(yè)對這項(xiàng)技術(shù)也有濃厚的興趣。該技術(shù)主要適用于有高功耗（熱管理更佳）或超小型（厚度更?。┬枨蟮膽?yīng)用?！?/p>

與其他技術(shù)相同，嵌入式芯片封裝這項(xiàng)技術(shù)同樣面臨著成本、良率和其他問題。Hsu說：“嵌入芯片后，就很難對最終的產(chǎn)品進(jìn)行測試了。嵌入式芯片的供應(yīng)鏈還相對不夠成熟?！?/p>

其實(shí)，該技術(shù)還存在其他問題。西門子（Siemens Business）子公司Mentor的產(chǎn)品營銷經(jīng)理David Wiens說：“在PCB空間中，嵌入式無源薄膜元器件（電阻、電容、電感）正在朝超小尺寸發(fā)展。額外的制造成本在一定程度上與減少的組裝成本相抵消。嵌入式有源器件屬于較新的技術(shù)，符合小尺寸趨勢。由于無法進(jìn)行返工，注定價(jià)格昂貴，而且通常還需要RDL?！?/p>

近期，該行業(yè)已經(jīng)采取相應(yīng)的措施來支持這項(xiàng)技術(shù)。幾年前，TDK發(fā)布了名為半導(dǎo)體嵌入式硅基板（SESUB）的嵌入式芯片技術(shù)。TDK已經(jīng)使用SESUB對包括世界上最小的藍(lán)牙模塊在內(nèi)的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了封裝。

然而，SESUB是專屬型解決方案。一般來說，客戶為確保充足的供貨和優(yōu)質(zhì)的定價(jià)，需要第二個(gè)供貨渠道。

這也是TDK與ASE共同組建合資企業(yè)的動機(jī)之一。在合資企業(yè)之前，ASE通過兩方面參與市場：第一，ASE憑借自己研發(fā)的產(chǎn)品；第二，對于那些想要SESUB的客戶，ASE就會將設(shè)計(jì)或元器件發(fā)給TDK，TDK會為ASE進(jìn)行封裝。

目前，通過合資企業(yè)的方式，ASE可提供整個(gè)SESUB的解決方案。該公司已將設(shè)備安排在臺灣工廠，并正在加緊擴(kuò)大這項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)能。

在基本的SESUB流程中，晶圓在代工廠中加工。晶圓被減薄到50μm，芯片被切割成小塊。然后，芯片被放置在單獨(dú)的面板上，在那里將進(jìn)行板級（panel-level）工藝。在面板中，我們的目的是加工更多芯片，而不是處理晶圓，以降低成本。

板級工藝也正在為其他市場進(jìn)行研發(fā)。該行業(yè)正在以板級的方式開發(fā)扇出型封裝。這與板級嵌入式芯片封裝并不相同。

與此同時(shí)，在嵌入式芯片流程中，裸片被貼裝在基板的核心位置。裸片會并排放置在其中的一層中。ASE的Gerber說：“那么，最終會在裸片上層壓一種材料。然后，回來用激光照射該材料來形成焊盤（pad）。接著，進(jìn)行圖形化工藝再在其上貼裝電路板?！?/p>

其成果就是將嵌入式芯片的厚度減小到260~300μm。Gerber補(bǔ)充道：“在嵌入式芯片中，可以集成的裸片數(shù)量是沒有限制的。但大多數(shù)情況都將集成芯片的數(shù)量保持在4個(gè)或更少。因?yàn)榍度氲穆闫蕉啵悸蕮p失的風(fēng)險(xiǎn)就越大。”

這項(xiàng)技術(shù)有對電熱管理有利。Gerber繼續(xù)解釋：“這與正在進(jìn)行的如TSV的3D堆疊解決方案沒什么不同。裸片排列更緊湊，這樣互連會更短。當(dāng)在嵌入式技術(shù)上進(jìn)行互連工藝時(shí)，就是在pad的頂部構(gòu)建了布線層。因此當(dāng)創(chuàng)建通孔或連接點(diǎn)與pad連接，我發(fā)現(xiàn)一種無需焊料就可以實(shí)現(xiàn)互連的方法，這就是copper-to-copper。從可靠性的角度來看，如果材料匹配，就不會有太多問題?！?/p>

在SESUB中，最通用的配置是4層基板的嵌入式封裝，有些也會開發(fā)2層、5層或6層的基板。

該技術(shù)對于輸入輸出（I/O）數(shù)量的理想數(shù)值是400。line/space的規(guī)范是大于等于10μm。pad尺寸為80μm，pad間的間距為120μm。Gerber說：“到2018年和2019年，pad尺寸有望會降為30μm，間距降為50μm?！?/p>

與此同時(shí)，ASE提供了自主研發(fā)的名為“先進(jìn)嵌入式有源系統(tǒng)集成（aEASI）”的嵌入式芯片技術(shù)。在近些年的生產(chǎn)過程中，aEASI專為高功率應(yīng)用提供服務(wù)。這是將引線框架和基板技術(shù)混合使用的封裝技術(shù)。

其他選擇

2008年，歐洲成立了將致力于嵌入式芯片技術(shù)商業(yè)化的聯(lián)盟。AT&S公司實(shí)現(xiàn)了ECP技術(shù)的商業(yè)化。

AT&S的Drofenik和Vorarberger解釋道：“ECP使用有機(jī)層壓基板中的空間來嵌入有源（芯片）或無源元器件。電容器和電阻器的厚度薄且采用銅布線，已經(jīng)開發(fā)成功，而壓敏電阻和熱敏電阻還在開發(fā)中。”

MEMS也可以集成到封裝中。與SESUB一樣，ECP也使用板級的方式進(jìn)行處理。Drofenik和Vorarberger說：“嵌入式工藝可分為三個(gè)主要步驟：元器件組裝（核心結(jié)構(gòu)、形成空腔、貼保護(hù)層）、層壓（樹脂填充，去保護(hù)層）、以及結(jié)構(gòu)化（激光鉆孔、電子測試）。”

圖6：ECP工藝流程

這項(xiàng)技術(shù)可用于汽車、通信、醫(yī)療、手機(jī)和其他應(yīng)用。Drofenik和Vorarberger說：“如今，使用這項(xiàng)技術(shù)的典型應(yīng)用有：如穿戴設(shè)備、MEMS、無線連接模塊等便攜式電子設(shè)備，如助聽器等醫(yī)療產(chǎn)品，識別系統(tǒng)或通過扇出技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)間距的IC。”

圖7：ECP工藝流程

接下來會如何發(fā)展？這項(xiàng)技術(shù)正朝著AT&S所說的“一體化”模塊發(fā)展。這正是當(dāng)今技術(shù)的發(fā)展趨勢。這會涉及使用先進(jìn)的PCB之類的基板和封裝來開發(fā)集成度更高、尺寸更小的模塊。

為此，客戶將有封裝一系列新型元器件和技術(shù)供選擇，包括：絕緣金屬基板、多層基板、高密度互連（HDI）、柔性PCB和插入式選項(xiàng)。Drofenik和Vorarberger說：“如先進(jìn)SIP和SiB等新型先進(jìn)封裝技術(shù)，能在很大程度上將所有基本技術(shù)以模塊化的形式結(jié)合起來。”

嵌入式芯片封裝前途值得期待！如果能夠克服一些挑戰(zhàn)，它將會有廣闊的發(fā)展空間。如果暫時(shí)無法克服，它仍是一項(xiàng)利基技術(shù)。最壞的情況是，它可能會在混亂的封裝技術(shù)前景中迷失方向。

延伸閱讀：

《嵌入式芯片封裝技術(shù)及市場趨勢-2016版》

《板級封裝（PLP）技術(shù)及市場趨勢-2018版》

《先進(jìn)基板技術(shù)及市場現(xiàn)狀-2018版：嵌入式芯片和互聯(lián)、基板式PCB趨勢》

《手機(jī)應(yīng)用的先進(jìn)射頻（RF）系統(tǒng)級封裝-2017版》

《TDK藍(lán)牙（Bluetooth）微型模塊：SESUB-PAN-D14580》

《MEMS封裝市場及技術(shù)發(fā)展趨勢-2017版》

《先進(jìn)封裝產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀-2017版》

《扇出型封裝技術(shù)和市場趨勢-2017版》

《扇出型封裝器件和材料-2017版》