長時(shí)間以來,多芯片封裝(MCP)滿足了在越來越小的空間里加入更多性能和特性的需求。很自然地就會(huì)希望存儲(chǔ)器的MCP能夠擴(kuò)展到包含如基帶或多媒體處理器等ASIC。但這實(shí)現(xiàn)起來會(huì)遇到困難,即高昂的開發(fā)成本以及擁有/減小成本。如何解決這些問題呢?層疊封裝(PoP)的概念逐漸被業(yè)界廣泛接受。
從MCP到PoP的發(fā)展道路
在單個(gè)封裝內(nèi)整合了多個(gè)Flash NOR、NAND和RAM的Combo(Flash+RAM)存儲(chǔ)器產(chǎn)品被廣泛用于移動(dòng)電話應(yīng)用。這些單封裝解決方案包括多芯片封裝(MCP)、系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)和多芯片模塊(MCM)。
剛開始時(shí)移動(dòng)電話中的MCP整合的芯片,比如8Mb的Flash和2Mb的SRAM,以現(xiàn)在的眼光來看密度較低。隨著移動(dòng)電話對存儲(chǔ)器要求的提高,閃存的密度也隨著NOR Flash的增多和NAND Flash的引入而增加,SRAM也被PSRAM所取代。
在體積越來越小的移動(dòng)電話中提供更多功能的需求是MCP發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。然而,開發(fā)既能增強(qiáng)性能又要保持小型尺寸的解決方案面臨著艱巨的挑戰(zhàn)。不僅尺寸是個(gè)問題,性能也存在問題,如當(dāng)要與移動(dòng)電話中的基帶芯片組或多媒體協(xié)處理器配合工作時(shí),要使用具有SDRAM接口和DDR接口的MCP存儲(chǔ)器。
SoC SoC的基本概念是在同一片裸片上集成更多的器件,以達(dá)到減少體積、增強(qiáng)性能和降低成本的目的。但在項(xiàng)目生命周期非常短、成本要求非??量痰囊苿?dòng)電話市場,SoC解決方案有很大的局限性。從存儲(chǔ)器配置的角度看,不同類型的存儲(chǔ)器需要大量邏輯,掌握不同的設(shè)計(jì)規(guī)則和技術(shù)是非常大的挑戰(zhàn),會(huì)影響開發(fā)時(shí)間和應(yīng)用所要求的靈活性。
SiP 從裸片角度看,保持基本組件的獨(dú)立并用不同技術(shù)進(jìn)行制造可以解決上述問題。存儲(chǔ)器和ASIC可以組裝在同一封裝中。但有兩個(gè)主要問題需要考慮。
1. SiP生產(chǎn)成本與良品率的關(guān)系
在開發(fā)任何配置的MCP時(shí),最終封裝和制造的良品率等于MCP中所有單元的良品率的乘積。為了舉例說明這一原則,我們假設(shè)每個(gè)元件的良品率是90%,當(dāng)MCP由4片裸片組成時(shí),總的良品率就是90%x90%x90%x90%=65%。很明顯這么低的良品率無法實(shí)施大批量生產(chǎn),特別是服務(wù)于對成本有連續(xù)壓力的很大批量的消費(fèi)市場時(shí)。在采用MCP配置時(shí)已知良好芯片(KGD)是一種常用的做法,可以將良品率保持在一個(gè)可接受的水平。
根據(jù)功能和規(guī)格要求,存儲(chǔ)器和基帶器件約占移動(dòng)電話25%的BOM。整合了存儲(chǔ)器和基帶器件或協(xié)處理器的SiP成本較高,如果SiP內(nèi)部任一器件不能滿足規(guī)格要求,那么整個(gè)SiP都會(huì)被拒收和舍棄。
2. SiP的靈活性不夠
SiP的推出還受限于當(dāng)時(shí)組件的可用情況。為了獲得有競爭力的解決方案,所有組件必須從一開始就用最具成本效益的技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。
對ASIC和存儲(chǔ)器來說,開發(fā)資源和所需的時(shí)間有很大的區(qū)別,因此情況變得更加復(fù)雜。在許多情況下,這些器件是由不同公司生產(chǎn)的,也就意味著同時(shí)獲得它們相當(dāng)困難。只有產(chǎn)品種類豐富的半導(dǎo)體供應(yīng)商才能從公司內(nèi)部提供大多數(shù)器件,滿足時(shí)間上的要求。
一旦SiP開發(fā)出來并開始向移動(dòng)電話制造商正式供貨后,如果因?yàn)橛行录夹g(shù)可使成本降低而想修改SiP中任何一個(gè)組件時(shí),將要求對整個(gè)SiP進(jìn)行重新認(rèn)證。這是一個(gè)漫長而昂貴的過程。
PoP概念介紹
PoP概念將ASIC與存儲(chǔ)器分離開來,從而可以采用不同的途徑對ASIC和存儲(chǔ)器分別進(jìn)行開發(fā)和推出。這個(gè)解決方案是通過在一個(gè)封裝頂部組裝另一個(gè)封裝實(shí)現(xiàn)的。頂層封裝的焊球直接綁定在底層封裝上表面的連接焊盤上(如圖所示)。
底層(下層)封裝一般包含ASIC形式的基帶器件或多媒體處理器(如有需要時(shí),底層封裝也可以使用存儲(chǔ)器模塊,以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器的多重堆疊)。頂層(上層)封裝一般包含多個(gè)存儲(chǔ)器件(Flash和RAM)。
與雙封裝解決方案相比,PoP解決方案可以顯著節(jié)省PCB的面積。同樣重要的是,兩個(gè)器件的相鄰意味著性能可以得到優(yōu)化。在使用100MHz以上的存儲(chǔ)器接口時(shí),對封裝設(shè)計(jì)中的信號(hào)和電源線需要使用專門的指導(dǎo)和技術(shù)才能確保信號(hào)完整性。封裝特性在系統(tǒng)的總體性能中起著重要的作用。設(shè)計(jì)驗(yàn)證和并發(fā)仿真技術(shù)曾經(jīng)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一部分,現(xiàn)在也可用于PoP開發(fā)。
PoP開發(fā)所面臨的關(guān)鍵問題
1. 標(biāo)準(zhǔn)化
PoP解決方案允許制造商分別從不同的供應(yīng)商那里獲得底層和頂層封裝。隨著許多新技術(shù)的發(fā)展,可能會(huì)出現(xiàn)各種提案,比如各個(gè)封裝的物理尺寸和引出球。
在JDEC標(biāo)準(zhǔn)中,針對封裝有物理尺寸和電氣球引出等多種可變選項(xiàng)。選擇采用何種標(biāo)準(zhǔn)取決于頂層和底層封裝的可用性。JDEC標(biāo)準(zhǔn)JC63涵蓋了引出球和總線組合,而JDEC標(biāo)準(zhǔn)JC11涵蓋了機(jī)械尺寸。
2. 物理尺寸
封裝尺寸決定了PCB上占用的面積,封裝厚度由A1+A2+A3組成的外形輪廓構(gòu)成,如圖所示。
需要保持整個(gè)封裝的高度,同時(shí)要考慮頂層封裝的絕緣A2,從而確定底層裸片和模帽的可用空間。封裝球以雙排形式安排在四周。
如圖2所示,尺寸D和E提供了封裝體的大小,e和b定義了球間距和球直徑。減少球尺寸和球間距可以在給定的參數(shù)條件下引出更多的信號(hào),從而允許提供更多的功能。更精細(xì)的球尺寸和球間距封裝正在開發(fā)中,并將被收錄進(jìn)JDEC標(biāo)準(zhǔn)。
3. 可制造性
在表貼技術(shù)(SMT)生產(chǎn)線中的普通球柵陣列(BGA)封裝上使用PoP時(shí)需要考慮兩個(gè)主要因素:預(yù)回流和后回流的球高度,最終將由它確定圖1所示的絕緣A2;在設(shè)備溫度范圍和回流溫度曲線內(nèi)頂層和底層的翹曲特性。
本文小結(jié)
PoP可以滿足小體積和高性能的應(yīng)用要求,其內(nèi)部元件可以采用獨(dú)立的開發(fā)路徑。另外由于兩個(gè)器件可以分離,因此比SiP或SoC解決方案有更大的靈活性。