后摩爾定律時代 電子制造產(chǎn)業(yè)鏈走勢分析

　　傳統(tǒng)BGA/CSP封裝及IC載板

　　廣義上的封裝包括兩部分，一級封裝IC載板和二級封裝PCB(SMT)，我們所說傳統(tǒng)的BGA/CSP封裝即為一級封裝，即把裸芯片通過wire bonding或是flip chip的方式與IC載板進行互聯(lián)然后塑封即完成了封裝，見圖7：

　　圖 7 封裝等級

　　由于一級封裝時，IC裸芯片與IC載板互聯(lián)時一般采用高熔點的鉛錫合金，熔點在300度以上，高出二級封裝SMT焊接溫度260度40多度，所以對IC載板的耐熱性及CTE(α2 X、Y CTE 5-7ppm/℃)要求極高，這就是IC載板使用的板料必須為高剛性低CTE BT板料或FR5板料的原因，也是IC載板區(qū)別于PCB(α2 X、Y CTE 15ppm/℃)的第一大特點。

　　IC載板的類型

　　應(yīng)用于智能手機的消費電子IC封裝主要考慮便攜性、低成本等因素，一般采用CSP封裝，封裝尺寸較小，而應(yīng)用于高性能計算機的IC封裝，主要考慮性能，一般采用較為大型的、I/O數(shù)非常多的BGA封裝。目前主流的IC載板類型見表格1：

　　IC載板精細線路加工技術(shù)

　　隨著IC設(shè)計節(jié)點的不斷縮小，IC尺寸也不斷縮小，從而導(dǎo)致了IC封裝時的Bump pitch也逐漸縮小，從下圖可以看出，當IC Bump Pitch在150um以下時，常規(guī)的tenting酸蝕流程加工已經(jīng)無法滿足IC載板的精細線路加工要求，必須采用MSAP、SAP或是類似流程。這是IC載板區(qū)別于PCB的第二大特點。

　　圖 8 IC載板精細線路加工技術(shù)

　　WLP及SLP

　　晶圓級封裝(WLP，Wafer Level Package) 的一般定義為直接在晶圓上進行大多數(shù)或是全部的封裝測試程序，之后再進行切割(singulation)制成單顆組件。而重新分配(redistribution layer, RDL)與凸塊(bump)技術(shù)為其I/O布線的一般選擇，從而擺脫了對IC載板的依賴，封裝成本大大降低。WLP封裝具有較小封裝尺寸(CSP)，但同時，由于凸塊全部位于芯片下方，I/O數(shù)受到大大限制，所以，WLP封裝一般又稱為WLCSP或是Fan-In WLP，目前多用于低腳數(shù)消費性IC的封裝應(yīng)用。

　　伴隨IC芯片I/O數(shù)目增加,對錫球間距(Ball Pitch)的要求更加嚴格, 目前Ball Pitch已經(jīng)發(fā)展至0.35mm，如果持續(xù)降低，將會造成下游PCB制造成本大大增加，于是Fan-Out WLP應(yīng)運而生，見圖9：所謂Fan-Out，即I/O bump可以通過RDL層擴展至IC芯片周邊，在滿足I/O數(shù)增大的前提下又不至于使Ball Pitch過于縮小從而影響PCB加工，見圖10。

　　圖 9 Fan-In and Fan-Out

　　圖 10 Fan-Out WLP

　　當然，F(xiàn)an-Out WLP除了滿足不斷增加的I/O數(shù)的需求外，最大的特點就是其采用RDL層布線代替了傳統(tǒng)IC封裝所需的IC載板，從而大大降低了整體封裝厚度，這一點極大地適應(yīng)了消費類電子尤其是智能手機對厚度的極端苛求。基于此點，傳統(tǒng)的FC-CSP和FC-BGA封裝也逐漸向Fan-Out WLP過渡，當然也可理解為Fan-Out WLP是Fan-In WLP和FC載板封裝的技術(shù)融合，見圖11?？梢奆an-Out WLP發(fā)展前景非同一般。

　　圖 11 Fan-Out WLP發(fā)展趨勢

　　伴隨Fan-Out WLP技術(shù)興起，相配套的PCB由于使用了IC載板的精細線路加工技術(shù)MSAP，其加工難度卻又遠高于常規(guī)HDI。另外，由于IC芯片采用Fan-Out WLP后，已經(jīng)不再是裸芯片(IC載板是裸芯片封裝，這也是IC載板區(qū)別于PCB的第三大特點)，所以與之配套的PCB并不能稱為載板，根據(jù)目前蘋果電子產(chǎn)業(yè)鏈的業(yè)內(nèi)人士所述，把采用Fan-Out WLP封裝和采用MSAP工藝加工的PCB稱為類載板PCB(SLP，Substrate-like PCB)。Apple 2016年發(fā)布的iPhone7的A10 Fusion已經(jīng)采用TSMC InFoWLP工藝，但PCB仍然采用酸蝕流程，據(jù)了解，2017的A11芯片也將延續(xù)TSMC InFoWLP工藝，并且已經(jīng)確定PCB采用MSAP流程，所以，類載板PCB的定義和技術(shù)指標也變得更加具體，見表格2：

　　SiP

　　根據(jù)國際半導(dǎo)體路線組織(ITRS)的定義，SiP是從封裝的角度出發(fā),對不同芯片進行并排或疊加的封裝方式，將多個具有不同功能的有源電子元件與可選無源器件,以及諸如MEMS或者光學(xué)器件等其他器件優(yōu)先組裝到一起,實現(xiàn)一定功能的單個標準封裝件,形成一個系統(tǒng)或者子系統(tǒng)。

　　SiP可相當于一系統(tǒng)載板的相關(guān)功能芯片、電路的總和,而依據(jù)不同的功能芯片進行系統(tǒng)封裝,可以采簡單的Side by Side的MCM(Multi-chip Module)技術(shù)(2D Package),也可利用相對更復(fù)雜的多芯片封裝MCP(Multi-chip Package)技術(shù)、芯片堆疊(Stack Die)等不同難度與制作方式進行系統(tǒng)組構(gòu)(2.5D和3D Package)。也就是說,在單一個封裝體內(nèi)不只可運用多個芯片進行系統(tǒng)功能建構(gòu),甚至還可將包含前述不同類型器件、被動元件、電路芯片、功能模組封裝進行堆疊,透過內(nèi)部連線或是更復(fù)雜的3D IC技術(shù)整合, 構(gòu)建成更為復(fù)雜的、完整的SiP系統(tǒng)功能。常見的SiP封裝樣式見表格3：

　　從上表可以看出，SiP 載板其實就是IC載板的一種，其技術(shù)和規(guī)格和傳統(tǒng)BGA/CSP封裝相同。前面我們提到的Apple Watch S1芯片采用SiP封裝，其實是一種比較特殊的IC載板，既可稱作IC載板也可稱作PCB主板。

　　未來電子制造技術(shù)的發(fā)展趨勢及電子制造產(chǎn)業(yè)鏈整合

　　在后摩爾定律時代，正如前言所述，整個電子產(chǎn)業(yè)鏈正沿著深度摩爾和超越摩爾兩條道路前行，也潛移默化的整合著整個電子制造產(chǎn)業(yè)鏈的布局。

　　從深度摩爾角度看，F(xiàn)an-Out WLP將延續(xù)封測領(lǐng)域的“先進制程”，晶圓廠搶食封裝廠訂單

　　隨著晶圓廠在先進制程上的進展，不斷滿足摩爾定律的要求，每一顆晶圓的尺寸在不斷縮小。然而，同制造技術(shù)不同，后道封測并不完全遵從摩爾定律的發(fā)展，換言之，直接在晶圓上的植球尺寸，不會滿足同比例縮小的技術(shù)演進。對于封測廠商來說，隨著I/O口的增多和晶圓尺寸的縮小，如何再滿足封裝管腳的引出是一大挑戰(zhàn)。而對于晶圓廠來說這確是一個機遇。今年9月即將發(fā)布的紀念版iPhone A11將采用TSMC 10nm的InFoWLP封裝技術(shù)，而與之對應(yīng)的主板則會革命性地將載板的精細線路制造技術(shù)MSAP導(dǎo)入PCB行業(yè)，重新定義了電子制造產(chǎn)業(yè)鏈，由于原來的IC制造(TSMC)→IC封裝(ASE)+IC載板→SMT(Foxconn)+PCB的制造流程改為IC制造(TSMC)→ SMT(Foxconn)+PCB，也即把IC封裝融入IC制造，PCB直接代替IC載板。見圖12：

　　圖 12 電子制造產(chǎn)業(yè)鏈整合趨勢1

　　如此，曾經(jīng)一度由封裝廠主導(dǎo)和掌控的IC封裝市場逐漸被IC制造企業(yè)晶圓廠吞食。各大晶圓廠如三星和Intel也在積極布局類似于InFoWLP的高端封裝技術(shù)，逐漸搶奪原有IC封裝廠的市場訂單。

　　從超越摩爾角度看，SiP將重構(gòu)封測廠的地位和角色，向方案解決商轉(zhuǎn)變

　　Apple Watch S1芯片的SiP封裝，其整個電子制造產(chǎn)業(yè)鏈也由傳統(tǒng)的IC制造(TSMC)→IC封裝(ASE)+IC載板→SMT(Foxconn)+PCB縮短為IC制造(TSMC)→IC封裝(ASE)+IC載板，也即把SMT流程全部整合入IC封裝，見圖13：

　　圖 13 電子制造產(chǎn)業(yè)鏈整合趨勢2

　　如此，封裝廠需要提供：從芯片封裝到系統(tǒng)集成的整體解決方案;具備系統(tǒng)設(shè)計和測試能力;除了傳統(tǒng)芯片封裝之外，EMI防護，3D/嵌入式封裝結(jié)構(gòu)，嵌入式天線等高集成度方案的know how，都將由封裝廠來掌握。進一步而言，封裝廠將從單純地為某一家IC設(shè)計企業(yè)提供芯片封裝方案，轉(zhuǎn)變成為下游的整機商提供完整的系統(tǒng)解決方案。

　　PLP(Panel Level Package)將會對原有電子制造產(chǎn)業(yè)鏈做最深刻的整合

　　隨著SiP封裝技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的元器件被埋入IC載板，原來的埋入被動元件已經(jīng)司空見慣，埋入主動元件如IC等正方興未艾，以進一步提升集成度，見圖14。

　　圖 14 PLP

　　同時，隨著IC制造領(lǐng)域的光刻對位技術(shù)的逐步提升，晶圓尺寸逐漸由200mm、300mm向450mm、500mm的大拼板方向提升，所以越來越多的科技工作者認為，如果直接將IC等主動元件和其他被動元件在PCB 大拼板加工過程中直接埋入，那將大大縮短整個電子制造產(chǎn)業(yè)鏈，見圖15。

　　圖 15 電子制造產(chǎn)業(yè)鏈整合趨勢3

　　目前已有多個電子行業(yè)從業(yè)單位開發(fā)出相應(yīng)的PLP產(chǎn)品，有PCB廠家AT&S的ECP(Embedded Components Packaging)，有IC封裝廠家ASE的a-EASI(advanced-Embedded Assembly Solution Integration)，也有IC載板廠家Kinsus的EAS(Embedded Actives Substrate)。

　　綜上所述，在后摩爾定律時代，加速電子產(chǎn)業(yè)鏈上下游的整合勢在必行，蘋果公司的iPhone A11 InFo WLP和Apple Watch S1 SiP正是這種趨勢的最佳見證。這也是PCB從業(yè)者在后摩爾時代所應(yīng)該看到和追隨的。無論是Fan-Out WLP的類載板還是SiP的載板均需要使用到MSAP和SAP等類似精細線路加工技術(shù)，所以當前PCB行業(yè)的發(fā)展方向應(yīng)該相對明確，就是開發(fā)MSAP和SAP精細線路加工技術(shù)。同時，鑒于目前電子制造行業(yè)整合趨勢明顯，融合了SMT貼裝技術(shù)(Picking and Placing Machine)和PCB制造技術(shù)的埋入元器件技術(shù)將會同步得到發(fā)展，也是我們PCB行業(yè)遠期重點關(guān)注對象。