作者:Nolan Johnson, I-CONNECT007

Chuck Bauer曾说过,“‘多分支’会成为专业术语吗?我希望会,因为先进封装技术就是这样。”

Chuck Bauer是从事半导体封装技术的著名专家。他还是SMTA泛太平洋会议的组织者,所以在午餐时和他聊天有很多收获。饭桌上他问了我这个问题,当时我们正在讨论怎样让新的封装方法进入工业应用中。好吧,Chuck,根据各种在线词典,‘多分支’的意思就是对一个共同来源的东西进行多次分离或分叉。你的观察很敏锐。

在我们的领域里,先进封装技术不是什么新鲜事。在过去的两年里,我们写过关于异构集成线路的文章,也报道过2022年10月在华盛顿举行的IPC先进封装研讨会,这是一个印刷电路制造和半导体制造开始融合的话题。

就在我们准备出版这一期杂志时,我注意到总部设在台湾的台积电公司宣布,他们决定将增加在美国亚利桑那州新工厂的半导体投资,投资额从120亿美元提高到400亿美元。几乎就在台积电公布这个决定的同时,苹果公司(还有AMD公司和英伟达公司)也宣布打算在自己的产品中使用美国制造的芯片。从公关的角度来看,这些消息非常激动人心,但是令人担忧的是:美国缺少支持这些芯片的封装技术服务。从目前的情况看,这意味着所有在台积电亚利桑那工厂生产出来的硅芯片仍然要运回亚洲进行封装。在我看来,这些芯片要经历两次横跨太平洋的旅程,这也将导致供应链变得更长了,而不是缩短。难怪在涉及半导体的课题时,封装芯片的能力一直都是个常见的讨论领域。

经常阅读IPC政府关系通讯和USPAE与PCBAA公告的读者都非常清楚,这些通讯和公告里有很多新闻。事实上,IPC的Chris Mitchell写的一篇文章的标题就是《IPC在2022年深入研究先进封装》,从这篇文章你可以知道,虽然主流媒体都在积极报道这一事件,但他们并没有完全理解这篇文章作者的真实意图,半导体才是国内各种技术的工作的源头。行业专家会告诉你,先进封装技术包括研发和制造。因此,在亚洲以外,任何关于先进封装的讨论都必须同时把技术和供应链一起考虑进来。但是,所有在这些新闻中关于先进封装技术的对话,只是一次又一次简单地强调先进封装技术,以及说明关注它的理由。

现在,在我和Chuck Bauer的谈话中,他简要地介绍了所有不同的封装技术,这些技术要么已经开始进入市场,要么还处在研究开发阶段。这些封装技术各有各的特点,并不是非此即彼的选择;换句话说,我们可以从多种不同的封装技术中选择最适合的技术组合。当然,这个课题属于异构集成的范畴,这是一种扩展摩尔定律的技术——可以把一个集成电路系统分拆成多个芯片,然后再把这些芯片组合成最终的产品。我们希望能够说服Chuck,在未来的封装课题的研发中分享更多即将到来的封装技术。

设计芯片的封装是一回事;批量生产封装芯片又是另一回事。就像许多前沿技术一样,美国在这方面处于世界领先地位,但是新技术开发出来,就把老旧的制造业务外包到海外。美国的芯片法案(CHIPS Act)的目标是开始扭转这一局面。今年2月,美国国家标准及技术研究所(NIST)将开始接受芯片法案项目的提案。NIST在演讲中表示,将寻求与批准能够提高印刷电路板和封装能力与促进半导体发展的提案。你是在准备这方面的提案吗?

这是一个非常宏大的主题,就像表面贴装刚兴起时一样,先进封装的出现也会给PCB制造和PCB组装带来各种变化。尽管如此,我们只是打开谈论这个话题的书而已;随着时间的推移,会有更多的东西需要讨论。

我们联系了封装技术方面的行业专家,了解他们对先进封装技术的看法,并且还跟踪IPC研讨会的许多参与者,寻求更加深入地了解他们的演讲。我们找到了热情的参与者,他们愿意与大家分享他们关心的事情、解决方案和研发工作。

为此,我们首先采访了IPC的首席技术专家Matt Kelly,他帮助定义了先进封装技术。Matt将帮助读者了解先进封装对行业的意义及重要性。这场内容丰富的对话涉及组装和PCB制造主题。Matt不仅帮助定义了先进封装,还提出了EMS公司在今后发展中必须采取的方法。你是否认为先进封装只需要添加一些新设备和新软件?仔细想想。其实还应该涉及物流、入职培训等等。

Nolan Johnson:Matt,我最近参观了一个技术研讨会同期举办的展会,听到了很多关于先进封装的问题:先进封装是什么,如何应用,它对EMS服务商的影响等等。你可以帮助定义先进封装和提出先进封装的判断准则吗?

Matt•Kelly:首先需要定义两个术语。其实很简单,先进封装就是电子组件。它有几个组成要素,包括半导体芯片(通常为硅)及中介板、基板,然后是元件互连及组装。先进封装是集成、组装和测试这些要素的工艺。先进封装代表一类称为有源器件的非常具体的电子元件。之所以被称为有源器件,是因为它们包含提供计算、存储或其他逻辑器件功能的硅。先进封装至关重要,因为只有通过先进封装工艺集成硅片,才能满足未来消费者需求的性能、可靠性、成本和功能组合。

切记,先进封装只是系统中许多不同组件之一。虽然这些组件很重要,它们是系统的大脑,但它们仍然只是许多不同组件类型中的一种。先进封装是一种非常特殊的组件类型。但它们是什么类型的组件?这些先进封装具有不同的功能,其中第一个是计算。如笔记本电脑英特尔芯片(CPU)、图形加速器(GPU)、基于AI的神经网络芯片(NPU),手机和计算机中的固态存储器(DRAM、NVRAM、NAND闪存)。这些封装还可以完成传感器、模拟、混合信号和系统集成功能。基本上,他们在电路设计中能够主动完成一些任务。这些是先进封装的主要功能。

过去、当前及未来对先进封装的定义也存在差异。例如,至少50年来,有一种被称为单质硅 的有源组件类型,是将单个芯片安装在一个基片上,然后封装成一个元件。其中一类被称为多芯片模块(MCM),已经使用了几十年。

随着单质硅 的发展,摩尔定律理念在经济上变得不那么可行,先进封装也在发生变化。

例如,当想到过去的电路卡通常有计算芯片和DRAM(存储器组),这是连接在PCB上的两类不同器件。现在正在使用基于chiplet的异构集成架构对其进行合并,这些架构现在正在将计算和高带宽存储器(简称HBM)集成在同一电子封装中。其结果是单个组件封装的速度更快并降低了延迟。先进封装的复兴正在推动单个器件功能的增加、性能及速度的提升。

Johnson:功能的增加、速度的提升及整体更小的封装意味着可留出更多可用的面积来进一步集成更多的组件。

Kelly:当然。例如,如果你看看最近苹果手表被拆解的图片,会发现在这些小空间里能完成的功能是难以置信的。在非常小的区域内有许多可执行许多功能的小芯片。下一代设计继续推动小型化、增加功能和提高速度。不利的是,这类结构非常耗电,意味着需要更多的功率,因而会产生更多的散热需求,因此对于这类架构需要解决这样的挑战。

先进封装对EMS公司的影响

Johnson:EMS公司的职责是将这些组件可靠地安装到电路板上。虽然不会从根本上发生改变,但这类封装将会改变完成这项工作所需的技能。先进封装会EMS公司产生什么影响?

Kelly:从接收器件的角度来看,EMS服务商需要增加来料质量检测程序,因为这类先进封装是全新的部件。如何接收这类先进封装器件,其质量如何?这些是改善前端物流和仓储的主要需求。

在组装方面,有一些需要考虑的因素。首先,需要印刷非常小、均匀的焊膏沉积,这样就不会出现开路或其他缺陷。无论是大部件还是小部件,这些焊膏沉积的印刷都会发生变化。在回流焊方面,需要了解这些部件可以应对的操作。希望MSL值和其他因素不会改变这类部件,这样就不会再出现部件的爆裂问题和内层问题,以及部件的第一级分层问题。这可能会在部件进入工厂之前作为组件鉴定过程的一部分;下一代来料检测技术会继续发展。

当I/O数较高时,AOI和AXI工具能否检测出这类部件的缺陷?这些封装会有更多的硅芯片——更多的chiplet。当在X射线下检查时,可穿透部件检查。当检查裸芯片的中心时,无法真正看到下面的东西,因为裸芯片在上方。当整个封装被裸芯片覆盖时,不一定能看到封装底部的焊球。需要考虑枕头效应(HIP)检测,因为此时HIP将是更大的问题,因为翘曲会产生很大的影响。

随着越来越多的芯片被安装在越来越小的区域,增加的功率密度正在推动新的散热解决方案来管控散热。需要为最具挑战性的先进封装开发先进的散热器结构、强制风冷和主动液体冷却方法。预计热界面材料(TIM)的使用也会增加。

测试是最后一个方面,也是经常被忽视的方面,因为它是工艺中的最后阶段之一。行业会以不同的方式进行测试。过去的ICT/FCT流程可能不再有效,因为随着小型化和有限的板面积,没有太多空间用于飞针测试的引脚输出或电路测试床(钉床)。必须研究未来的不同测试方法。对边界扫描、更多基于软件的测试类型等将有有更高的需求。

此外,实验室内的鉴定或故障分析也需要计量学。例如,从I/O角度来看,能够及时使用计算机断层扫描(CT)X射线检查二级互连将是相当大的挑战。可以想象在有10000个I/O的组件中查找细微的空洞缺陷就像大海捞针。

需要了解的重要信息

Johnson:为什么目前先进封装对IPC如此重要?

Kelly:IPC正在扩展其使命。在过去的50至60年中,我们一直致力于成为一家专注于印制电路板及组装的机构。IC基板和HDI PCB的技术分界线日益模糊。IPC在印制电路板方面拥有广泛的背景,这是支持整个行业正在进行的变革的自然延伸。同样,尽管存在差异,但EMS二级组装和OSAT一级组件组装之间也有许多相似之处。IPC在电子组装方面有着悠久的历史,因此支持OSAT组件级装配是自然延伸。我们的会员一直要求增加对先进封装的参与,IPC正在积极扩大对IC基板及OSAT封装组装及测试领域先进封装的支持。

《CHIPS法案》资金

Barry Matties:EMS服务商需要适应市场的变化和发展趋势。他们应该思考什么,为了帮助他们在这段历程中学习,您有什么建议?

Happy Holden:如何利用先进的表面贴装组装设施,并将其打造成OSAT设施?如何利用先进的印制电路工厂设施使其成为先进基板设施?

Kelly:我认为关键在于现有的PCB制造商是否能够将自己转变为生产基板的制造商,以及EMS服务商如何将自己转变成OSAT组装商。是这个问题吗?

Holden:一种企业可能会从另一种企业发展而来,但它们无论如何都不会完全相同。在北美,太多的制造商似乎被“我们为什么应该改变?”的观点所支配,但如果看看那些采用先进封装的工厂,他们可能会面临两个问题:从哪里获得资金,如何说服年轻工程师为公司工作?这将需要大量的工程设计人力,因为IC制造厂正在招聘相同的工程师。

Kelly:PCB制造厂转向IC基板的具体例子是环境清洁度。为了达到良率,需要安装10000级洁净室。虽然设备和工具有相似之处,但这些质量控制措施对质量和良率至关重要。因此,首要问题是显著增加了工艺控制。

Holden:几乎达到了让人激动的程度。

Kelly:确实达到了让人眩晕的程度。鉴定协议将更加严苛。统计学将融入未来工厂和工业4.0技术。如果要在北美进行一些封装,并取得合格的效率,不仅需要系统的统计知识,还需要了解这些数字和仪表板的含义。需要经过实验设计(DOX)和统计方法训练的黑带大师。这就是提高质量的方法,但在另一方面,数据仍然是主题,因为需要它来显示产品是否符合规范,以及自动化效率。

很久以前,我从一位IBM同事那里了解到,当剖析这些问题时,需要思考问题是什么以及如何解决。“未来工厂”是怎样的,先进封装是什么。如果我们能将这两者联系起来,那可能就是我们开始充分利用“未来工厂”之时。

Matties:Matt,最后还有什么想要补充的信息吗?

Kelly:很多人都说先进封装是特殊的时间节点,一个千载难逢的机会。半导体公司正在发生巨大变化。首先,我想说,如果《CHIPS方案》的资金没有到位,每个人都可能会说,“好吧,我们完成了任务。这是一个全球供应链,想要改变太晚了,所以一切会继续下去,这就是未来的样子。我们将不得不管理这个问题。”而且这是公司了解正在发生一切的机会。如果认为一切都不会改变,那么不幸的是,你没有注意到,因为我会认为现在发生的一切比我整个职业生涯中见过的还要多。

公司有机会转型,无论是进入新的细分市场,如基板和OSAT,更好地接收这些部件,还是作为EMS服务商或PCB制造商更好地生产这些部件。有机会采用新的工作方式,例如采用“未来工厂”模式。在你的职业生涯中,很少有像我们今天看到的机会,你会看到大规模投资,我鼓励公司对此采取尽职调查和具备探索性的观点。

不要简单地认为一切都很好且很容易,但如果真的需要更多的地区能力,无论是在欧洲还是北美,我们都不应该失去或错过这次机会。随着这笔资金的投入,政府和其他机构将在5年内进行成本、收益分析。

如果我们能够作为一个行业来展示进步,这不仅仅是一个一蹴而就的行业;我们可以开始更多关于向前发展的讨论。如果我们搞砸了,那么我们就失去了有所作为的机会。

Johnson:Matt,谢谢你今天的评论。它确实有助于澄清先进封装的定义以及向先进封装技术发展可以采取的措施。

Kelly:不客气,很高兴能对行业发展有所帮助。

参考文献

1. “TSMC triples Arizona chip plant investment, Biden hails project,” by Steve Holland and Jane Lanhee Lee, Dec. 6, 2022, Reuters.

2. “Apple, NVIDIA to be first customers of TSMC Arizona chip plant,” by Cheng Ting-Fang, Dec. 5, 2022, Nikkei Asia. SMT007

作者简介:Nolan Johnson是《SMT007》杂志的执行主编。Nolan拥有30年的工作经验,他把自己的精力都放在了电子设计和制造方面。