表面貼裝技術(shù) （SMT） 的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了其作為將封裝芯片組裝到?jīng)]有通孔的印刷電路板上的方式。它現(xiàn)在正在內(nèi)部封裝，這些封裝本身將安裝在 PCB 上。

　　但是用于高級封裝的 SMT 與我們已經(jīng)習(xí)慣的 SMT 不同。

　　Synopsys產(chǎn)品營銷總監(jiān) Kenneth Larsen 表示：“許多系統(tǒng)包含多個ASIC、大量內(nèi)存，并且這些都集成在一個非常小的空間內(nèi)?！边@幾乎就像你把整個 PCB 壓縮成一個非常小的外形。“

　　高級封裝使用中介層或其他基板來安裝芯片。這些中介層就像迷你 PCB，雖然由不同的材料制成。但是，金屬化再分布層 （RDL） 的尺寸通常比 PCB 上使用的尺寸大得多，即使按照半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)它們很大。因此，必須同時從 PCB 端和半導(dǎo)體端提出想法，以確保良好的可制造性。

　　”有些公司更以 PCB 為中心，從封裝 PCB 方面著手，但也有其他更以芯片為中心的公司，他們從芯片方面來看，“產(chǎn)品營銷總監(jiān) Marc Swinnen 說。Ansys 的半導(dǎo)體?！比欢?，這兩個世界正在拉近，很多公司并沒有為此做好準(zhǔn)備。“

　　這導(dǎo)致芯片制造商陷入困境?！蹦愦蛩闶褂冒雽?dǎo)體晶圓廠的現(xiàn)代工具嗎？“ 泰瑞達(dá)設(shè)備接口總經(jīng)理 Steve Ledford 問道?！被蛘吣蛩闶褂?PCB 和 SMT 制造人員的現(xiàn)代工具嗎？“

　　雖然先進(jìn)封裝并不新鮮，但它仍處于生產(chǎn)周期的早期，應(yīng)用往往有限。隨著成本的下降和更多的應(yīng)用程序使用這種封裝提供的更緊密的集成，更多的公司將能夠利用它。因此，退回到較高級別并在原始 SMT 和較新的變體之間獲得一些觀點(diǎn)可能會有所幫助。

　　CyberOptics總裁兼首席執(zhí)行官 Subodh Kulkarni 表示：”在堆疊現(xiàn)象和 SMT 之間，先進(jìn)封裝介于傳統(tǒng)前端和傳統(tǒng)后端之間?！斑@就是現(xiàn)在所有創(chuàng)新發(fā)生的地方。打開任何現(xiàn)代設(shè)備，串在一起的高級封裝與 10 年前的電路板看起來大不相同?！?/p>

　　封裝內(nèi)插器的作用與 PCB 相同，可促進(jìn)安裝在其上的組件之間的連接。此外，它們提供最終將連接到凸塊和 PCB 的布線。PCB 制造所需的許多概念都在中介層上發(fā)揮作用，但只是微型的。包括計算、內(nèi)存，甚至模擬 I/O 在內(nèi)的整個系統(tǒng)都可以組裝起來，然后作為一個封裝安裝在 PCB 上。

　　雖然這聽起來像是將 PCB 按比例縮小以安裝到元 PCB 上，但這并不是那么容易。任何此類組裝過程都需要檢查和測試以確保質(zhì)量，但用于檢查和測試 PCB 的工具不一定適用于封裝級別。都是SMT，但是根據(jù)使用的材料和中介層特征的尺寸不同，需要不同的設(shè)備。

　　用于基板的材料

　　大批量商用 PCB 通常由 FR-4 制成，F(xiàn)R-4 是一種玻璃纖維/環(huán)氧樹脂組合，幾十年來一直是 PCB 的最愛。雖然它可以縮小用于小型夾層卡和其他小型電路板，但最小線間距以密耳為單位，而不是微米。最小間距通常在 5 或 6 密耳范圍內(nèi)（對于特殊應(yīng)用會稍微低一些），這意味著超過 100 微米。

　　圖1：由 FR-4 制成的典型 PCB。資料來源：Raimond Spekking / CC BY-SA 4.0（通過維基共享資源）

　　轉(zhuǎn)換為微米很有用，因?yàn)楦呒壏庋b基板可以支持以微米為單位的尺寸。所以馬上就會有一個數(shù)量級的立即收縮。它們在微米領(lǐng)域的確切位置也取決于基板材料。

　　在描述封裝內(nèi)看起來像“迷你 PCB”的東西時，似乎使用了兩個詞。有時它們被簡單地稱為基板，而有時它們被稱為中介層。似乎沒有正式的定義將基板與中介層區(qū)分開來，但在此上下文中的常見用法似乎是將基板應(yīng)用于有機(jī)材料，將中介層應(yīng)用于無機(jī)材料。（從技術(shù)上講，中介層是基板。）

　　PCB 可能有很多層用于復(fù)雜的布線和屏蔽，但基板和中介層往往只有很少的層 - 可能只有一層，通常稱為再分布層 （RDL）。有機(jī)基板通常用于所謂的面板應(yīng)用中。這些類似于半導(dǎo)體，因?yàn)槎鄠€單元在被切割成單個單元之前被制造在一個大塊上。最大的區(qū)別在于，由于它們的制造方式，面板可以是矩形的，這意味著在切割它們時不會浪費(fèi)任何東西。該技術(shù)主要來源于顯示行業(yè)。

　　“為什么方形芯片在圓形晶圓上工作并不是因?yàn)榫A是適合方形物體的理想選擇，”Ledford 說?！斑@是因?yàn)檫@就是拉硅錠的方式?！?因此，矩形中介層最終會從圓形晶圓中分離出來，這意味著邊緣會產(chǎn)生浪費(fèi)。

　　圖 2：晶圓強(qiáng)制將矩形擬合到圓形上，導(dǎo)致一些浪費(fèi)。面板以矩形開始，以犧牲尺寸為代價更好地利用空間。資料來源：日月光

　　玻璃是另一個處于開發(fā)早期階段的有前途的候選者?！安ＡЪ瓤梢允菆A形的，也可以是方形的，”萊德福德指出。玻璃基板也常被稱為中介層。

　　這就是 SMT 基板的三種基本變體：PCB、面板和中介層。它們具有顯著的成本和尺寸差異。

　　尺寸和制造

　　“一切都趨向于類似半導(dǎo)體的尺寸，”Ledford 說。“這只是時間問題。剛畢業(yè)的時候，主流的半導(dǎo)體都是1微米線寬。如果你看看現(xiàn)在先進(jìn)的封裝在哪里，它已經(jīng)非常接近 1 微米的線和空間。它只用了 30 年就達(dá)到了這一點(diǎn)。”

　　任何這些材料所需的尺寸都有兩個關(guān)鍵方面。首先，有最小間距。但同樣重要的是對這些維度的控制。

　　“測試和測量都是大約 50 Ω 受控阻抗，”Ledford 說。“這意味著該生產(chǎn)線的制造商需要控制四分之一微米的尺寸。好吧，如果我去我的任何一家 PCB 商店交談，他們都沒有接近這種水平的尺寸控制?！?/p>

　　主要原因是化學(xué)：PCB 是使用濕化學(xué)制成的，這限制了尺寸和公差。“占主導(dǎo)地位的 PCB 和 [傳統(tǒng)] SMT 的濕化學(xué)工藝沒有您需要的尺寸控制，”Ledford 說?！笆裁礃拥墓に嚳梢宰屇憧刂扑姆种晃⒚椎木€和空間？干法工藝——濺射、干法蝕刻等等，主要來自半導(dǎo)體領(lǐng)域?！?/p>

　　雖然可以在某種浴槽中同時處理多個 PCB，但面板和晶片必須在它們的反應(yīng)室中單獨(dú)處理。這是與較小外形尺寸相關(guān)的主要成本之一。

　　Onto Innovation產(chǎn)品營銷經(jīng)理 Woo Young Han 表示：“半導(dǎo)體制造商轉(zhuǎn)向面板級封裝的主要原因是系統(tǒng)級封裝 （SiP） 中的大芯片?！卑?CPU、GPU、DSP 和內(nèi)存在內(nèi)的多個芯片被封裝到一個單一的底座中，其結(jié)果比半導(dǎo)體行業(yè)中使用的傳統(tǒng)芯片尺寸大得多。SiP 芯片尺寸可以大到 100 毫米，因此在制造大型 SiP 芯片時，600 毫米矩形面板比 300 毫米圓形晶圓更好?！?/p>

　　硅中介層受晶圓尺寸的限制，因此它們對于集成具有更有限內(nèi)存的處理器更有用。小芯片也是集成到這些較小封裝中的候選者。

　　使用面板可以提供更大的芯片，但代價是您可以將線路或芯片放在一起的距離?！泵姘寮壏庋b可能有更大的 GPU 或 CPU，但不一定與小芯片非常接近，“布魯克白光干涉儀產(chǎn)品線經(jīng)理 Robert Cid 說。

　　也就是說，雖然人們可能希望面板成為晶圓級集成的中間地帶，但實(shí)際上可能會走另一條路?！睂τ谀切┫胍M(jìn)行更多集成的公司，我認(rèn)為面板級封裝越來越成為一種可行的解決方案，“Cid 指出?！比绻A級封裝開始轉(zhuǎn)向更大的基板，則可能進(jìn)一步降低封裝成本。“

　　PCB 與任何這些其他選項(xiàng)之間的主要功能區(qū)別在于可以管理的互連數(shù)量?！蹦悴皇窃谡?wù)搸讉€ 40 微米的 I/O 焊盤，“Ledford 說?！蹦阏f的是數(shù)千個 40-?m I/O 焊盤?！?/p>

　　其他人同意。Synopsys 數(shù)字設(shè)計部門的硅生命周期管理營銷總監(jiān) Randy Fish 指出：”你可以有數(shù)千個這樣的微凸點(diǎn)和非常密集的痕跡，“?！辈⑶夷軌驌碛腥哂嗷ミB是其中必不可少的一部分。“

　　檢查生產(chǎn)線

　　PCB 和先進(jìn)封裝之間的主要工藝差異之一在于檢查——尤其是在發(fā)現(xiàn)缺陷的地方進(jìn)行返工的能力。

　　”在典型的 PCB 檢測流程中，檢測模塊對 PCB 進(jìn)行檢測，然后將 PCB 轉(zhuǎn)移到審查站進(jìn)行操作員審查——然后將其送到維修站修復(fù)發(fā)現(xiàn)的缺陷，“韓解釋說。”在半導(dǎo)體晶圓檢測領(lǐng)域，修復(fù)單個缺陷在前端和后端半導(dǎo)體工藝中都是不可想象的。“

　　人類仍然存在于 PCB 檢測領(lǐng)域。Ledford 說：”由于 PCB 行業(yè)的歷史性質(zhì)，他們?nèi)匀豢吹皆S多操作員通過顯微鏡觀察的手動檢查站。“

　　CyberOptics 的 Kulkarni 描述了他看到 DIMM 生產(chǎn)線末端時的驚訝。”有 20 人站在那個區(qū)域周圍，旁邊有白燈，“他說。”他們實(shí)際上是從傳送帶上撿起每塊內(nèi)存板，并在將它們放入塑料袋之前目視檢查兩側(cè)?！?/p>

　　DIMM 進(jìn)行了最終的 I/O 測試，但插入時是熱的。半分鐘后，取出時，它們已經(jīng)明顯冷卻了，而且它們也沒有那么容易拉出來——有時會擾亂板上的記憶?！北M管 I/O 檢查看起來不錯，但當(dāng)客戶拿到它時，情況并不好，“Kulkarni 解釋說。

　　添加自動最終檢查步驟現(xiàn)在允許干預(yù)任何需要返工的電路板，而無需人工檢查。

　　用于容納大型 CPU 或其他此類昂貴芯片的插槽是另一個例子。使用插槽是為了在電路板出現(xiàn)問題時，可以輕松移除高價值芯片并將其移至新電路板，而不是隨電路板一起丟棄。

　　”在一個 3 × 3 英寸的正方形中，你有 10,000 個引腳，“Kulkarni 說?！倍@些實(shí)際上是毛茸茸的小銅質(zhì)東西，它們會出來并彎曲，因?yàn)楸仨氂心撤N彈簧?！?/p>

　　這使得人類很難檢查它們?？梢暬ぞ呖梢栽俅问乖撨^程自動化，從而提高結(jié)果和吞吐量。因此，PCB 檢測已經(jīng)朝著更高水平的自動化方向發(fā)展。

　　但是在高級封裝內(nèi)移動，信號的尺寸和數(shù)量使得手動檢查完全不切實(shí)際。需要自動化。然而，這些工具的工作方式在 PCB 與面板級和晶圓級組件之間有所不同。

　　”大芯片尺寸在 PCB 世界中很常見，傳統(tǒng)的 PCB 檢測工具使用基于 CAD 設(shè)計規(guī)則的方法，“Han 說?！痹诎雽?dǎo)體領(lǐng)域，檢測工具旨在發(fā)現(xiàn)高度重復(fù)的芯片圖案上的小得多的缺陷，因此半導(dǎo)體領(lǐng)域的檢測工具使用黃金裸片或相鄰裸片比較方法。啜與半導(dǎo)體晶圓相比，裸片之間的裸片差異要大得多，而且 CAD 設(shè)計規(guī)則方法比黃金/相鄰裸片比較方法效果更好。這是傳統(tǒng) PCB 檢測工具的優(yōu)勢。與傳統(tǒng) PCB 裸片設(shè)計相比，SiP 裸片的設(shè)計規(guī)則也小得多——小至 2 微米的走線寬度——并且需要亞微米缺陷檢測。然而，PCB 使用大于 10 ?m 的走線寬度，而傳統(tǒng)的 PCB 檢測工具不具備執(zhí)行亞微米缺陷檢測的光學(xué)分辨率。這是半導(dǎo)體晶圓檢測工具的一個優(yōu)勢?！?/p>

　　面板尺寸比內(nèi)插器尺寸稍大，但仍有可能使用半導(dǎo)體設(shè)備——數(shù)字放寬?！比绻某叽鐬?600 x 600 毫米，您需要確保整個面板的特征都在規(guī)格范圍內(nèi)，“Cid 說。”這可能是一個挑戰(zhàn)。我們已經(jīng)看到客戶尋求加快計量的方法來調(diào)查更大的區(qū)域，以便在該面板投入生產(chǎn)之前評估該面板的質(zhì)量?！?/p>

　　盡管如此，假設(shè)面板和中介層有類似的檢查是錯誤的?！蔽覀兛吹骄A級和面板級封裝的要求非常不同，“Cid 說?！蔽覀冇袑ｉT為面板級封裝設(shè)計的工具，與我們?yōu)榫A級封裝設(shè)計的工具有不同的要求?！?/p>

　　也就是說，這部分是面板滯后于中介層的情況?！蔽覀兟牭降穆肪€圖討論表明，面板級處理要求將變得更加復(fù)雜，需要幾年后您對晶圓級封裝的一些嚴(yán)格計量，“Cid 說。

　　因此，雖然自動化和 AI 正在進(jìn)入 PCB 檢測領(lǐng)域，但這些技術(shù)對于高級封裝至關(guān)重要。

　　測試板、基板和中介層

　　測試匯集了完全不同的理念。傳統(tǒng)上，PCB 是使用釘床測試儀進(jìn)行測試的，這些測試儀可以快速驗(yàn)證板上的所有連接。但是每塊板都需要一個定制的夾具，這給測試開發(fā)過程增加了摩擦。

　　JTAG 使這變得更容易一些，提供了一種將電路板上的所有組件鏈接在一起并測試它們的連接性的方法。這是JTAG最初的目標(biāo)，后來才擴(kuò)展了內(nèi)部芯片測試能力。因此原則上，可以使用單個 JTAG 端口測試連接和功能。

　　相比之下，IC 使用內(nèi)部自測以及外部提供的向量，這些向量可能使用專用測試引腳或在測試模式下兼作測試訪問引腳的其他引腳。與 PCB 測試的一個關(guān)鍵區(qū)別在于，使用 IC 來測試功能。對于 PCB，主要是測試連接。假設(shè) PCB 上的 IC 可以根據(jù)它們作為制造流程的一部分進(jìn)行的個別測試工作。

　　高級封裝介于兩者之間，而確切的測試時間將對成本產(chǎn)生巨大影響。那是因?yàn)槿藗冋谑褂媒?jīng)過測試然后分離的裸片，將它們放置在基板或中介層上，而基板或中介層本身必須經(jīng)過測試以確保連接正常工作。

　　但是這些芯片在分離過程中是否被損壞了？基板/中介層組件是否需要單獨(dú)測試，包括連接性和功能性，以確保一切都在組裝過程中幸存下來？是否應(yīng)該在應(yīng)用芯片之前測試中介層，然后再測試？如果要測試整個事情，應(yīng)該在封裝之前還是之后進(jìn)行測試——還是兩者兼而有之？

　　部分挑戰(zhàn)是從未連接到外部連接的內(nèi)部連接數(shù)量。”很多這些內(nèi)部模具并不是用來與現(xiàn)實(shí)世界對話的，“Fish 指出?！彼械倪B接都是死對死的?！?/p>

　　這些問題沒有可靠的答案。它會因應(yīng)用程序和伴隨的經(jīng)濟(jì)情況而異——更不用說失敗的風(fēng)險了。與那些故障后果僅限于制造商的煩惱或商譽(yù)損失的組件相比，安全關(guān)鍵組件需要更多的測試。

　　”如果有這樣的選擇，在某些情況下，人們確實(shí)希望能夠測試復(fù)雜封裝內(nèi)的芯片，“Fish 說。”但對于低價或中等價位的產(chǎn)品，我認(rèn)為您無法再次測試每個芯片?！?/p>

　　如果對模具本身進(jìn)行測試，也會產(chǎn)生重要的實(shí)際影響?！比绻徺I已知良好的模具，供應(yīng)商是否會給您他們的測試序列，以便您可以自己運(yùn)行？“ 魚問。

　　至于實(shí)際測試，即使組件看起來像迷你 PCB，由于尺寸的原因，釘床方法是完全不切實(shí)際的。此類固定裝置中使用的彈簧針太大了。此外，每個芯片的定制夾具給工藝增加了不合理的負(fù)擔(dān)和成本。

　　JTAG 也可以在這里使用，盡管它的信號速度有限。USB 和 PCIe 也是用于專用測試訪問端口的選項(xiàng)，可以加快單個芯片和高級封裝組件的測試。事實(shí)上，它也可以用于 PCB。

　　”我們正朝著高速專用 I/O 進(jìn)行測試，“Fish 說?！蹦鷮⑽覀兊?IP 插入到您的芯片中，該芯片連接到控制器端的那些 I/O，然后連接到芯片上的測試基礎(chǔ)設(shè)施。“

　　結(jié)論

　　總而言之，必須使用主要來自半導(dǎo)體領(lǐng)域的技術(shù)來制造、檢查和測試高級封裝內(nèi)的表面貼裝器件。雖然許多想法可能起源于 PCB，但將 PCB 方法縮小到足夠低通常是不切實(shí)際的。

　　由于封裝是半導(dǎo)體制造過程的自然組成部分，因此先進(jìn)封裝承載了大部分半導(dǎo)體遺產(chǎn)也就不足為奇了。但是，將元件連接到基板表面的基本原理可以追溯到 PCB 世界。當(dāng)縮小到接近半導(dǎo)體的尺寸時，它看起來非常不同。