提升消費(fèi)性電子競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì) SiP設(shè)計(jì)錦上添花
[導(dǎo)讀]由于SiP具備微型化、多性能導(dǎo)向、降低電磁干擾、低耗電、低成本和簡(jiǎn)化高速匯流排設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，被視為是增加附加價(jià)值的重要手段，因而被廣泛應(yīng)用在消費(fèi)性電子產(chǎn)品。未來(lái)堆疊式矽插技術(shù)，更將有助其發(fā)揮超越摩爾定律的優(yōu)
由于SiP具備微型化、多性能導(dǎo)向、降低電磁干擾、低耗電、低成本和簡(jiǎn)化高速匯流排設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，被視為是增加附加價(jià)值的重要手段，因而被廣泛應(yīng)用在消費(fèi)性電子產(chǎn)品。未來(lái)堆疊式矽插技術(shù)，更將有助其發(fā)揮超越摩爾定律的優(yōu)勢(shì)。
系統(tǒng)封裝(SiP)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)有一段時(shí)間，一般而言，SiP技術(shù)可以帶來(lái)微型化、縮短產(chǎn)品上市時(shí)間、提升晶片功能及異質(zhì)晶片整合等優(yōu)勢(shì)，有助于提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，被產(chǎn)業(yè)人士視為足以超越摩爾定律的技術(shù)。
首先，SiP將印刷電路板(PCB)上原本各自獨(dú)立分離的積體電路與電子元件，經(jīng)由封裝技術(shù)整合在一起，省下了所占的面積、材料，使得電子產(chǎn)品在外觀(guān)上達(dá)到輕薄短小的特色，發(fā)揮微型化(Miniaturization)的優(yōu)勢(shì)。而SiP可縮短產(chǎn)品上市時(shí)間(Time To Market)，相當(dāng)符合電子產(chǎn)品隨時(shí)代流行迅速變化的特性。
相對(duì)于印刷電路板的方式，SiP技術(shù)可以縮短金屬連線(xiàn)的距離，進(jìn)而降低其寄生阻抗，包括電阻、電感及電容，以提升傳輸速度、改善電磁干擾并減低耗電。
此外，即使晶片來(lái)自不的晶圓廠(chǎng)(Fab)，并擁有各式各樣的技術(shù)、制程材料及尺寸，都能透過(guò)SiP技術(shù)將所有晶片整合在同一個(gè)封裝內(nèi)，達(dá)到異質(zhì)整合的效果，使各種不同功能的晶片，都能選擇最具成本效益的制程。
以射頻(RF)元件為例，其制程微縮到90奈米的節(jié)點(diǎn)似乎遇到瓶頸，換言之，其實(shí)體面積受限于效能所需，已經(jīng)難以再持續(xù)縮小。若將射頻元件整合在65、40、28奈米的系統(tǒng)單晶片(SoC)制程，將必須負(fù)擔(dān)昂貴的先進(jìn)制程費(fèi)用，元件卻仍維持在相近的面積，難以有效降低成本。另外，又如傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取記憶體(DRAM)、快閃記憶體的制程與邏輯制程更大不相同，若將嵌入式DRAM、快閃記憶體跟邏輯電路整合在同一個(gè)SoC內(nèi)，其單位位元所占的面積將比傳統(tǒng)制程大上許多，將使成本居高不下，這也就是為什么嵌入式DRAM、快閃記憶體的容量通常無(wú)法太大的原因，若系統(tǒng)需要較大容量的記憶體，勢(shì)必須要外掛一個(gè)記憶體IC，或者透過(guò)SiP技術(shù)將元件整合在一起。其他類(lèi)似的例子還包括矽鍺(SiGe)或砷化鎵(GaAs)高頻(RF)元件及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的材料與制程，與邏輯制程有所不同，SiP技術(shù)就可藉機(jī)展現(xiàn)異質(zhì)整合的特性。
不同技術(shù)的晶片在不同制程中，其微縮比率存在落差，假設(shè)90奈米世代的面積大小為1.0，在較先進(jìn)的65奈米及45奈米世代時(shí)，其面積微縮的比率則不盡相同，其中輸入/輸出(I/O)和射頻元件幾乎沒(méi)有任何改變(圖1)，此時(shí)SiP的異質(zhì)整合特性，就能提供另外一個(gè)最佳化成本和效能的解決方案；當(dāng)然若能將異質(zhì)元件整合進(jìn)SoC，其訊號(hào)傳輸距離更短，性能提升，固然有其好處。
圖1 不同技術(shù)晶片制程微縮比率
雖然SiP本身也有增加成本的可能，但藉由簡(jiǎn)化印刷電路板的設(shè)計(jì)與面積，可達(dá)到降低整體成本的好處，同時(shí)避免開(kāi)發(fā)SoC所需的高額研發(fā)成本與較長(zhǎng)的研發(fā)時(shí)程。
因此，幾乎所有的消費(fèi)性電子產(chǎn)品都涵蓋在SiP的應(yīng)用范疇之內(nèi)，而非僅局限于某類(lèi)特定類(lèi)型產(chǎn)品的應(yīng)用。與其問(wèn)何種應(yīng)用產(chǎn)品適合使用SiP技術(shù)，不如探討上述的SiP優(yōu)點(diǎn)能否提升某類(lèi)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，如降低成本或縮短上市時(shí)間。消費(fèi)性電子產(chǎn)品包括智慧型手機(jī)、數(shù)位相機(jī)、平板裝置、智慧電視等，很多消費(fèi)性電子產(chǎn)品所要求的特性，正好能與SiP所展現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)相輔相成，因此也成為所有應(yīng)用產(chǎn)品類(lèi)別中，最頻繁使用SiP產(chǎn)品的領(lǐng)域。
牽一發(fā)動(dòng)全身KGD舉足輕重
盡管SiP擁有很多優(yōu)點(diǎn)，但不可避免的，SiP也碰到不少挑戰(zhàn)與困難，例如已知良裸晶(KGD)的來(lái)源難覓，及針測(cè)(Probe Test)困難度較高，尤以類(lèi)比(Analog)及射頻類(lèi)型的KGD最難處理，且一旦KGD碰到制程轉(zhuǎn)換或停止生產(chǎn)，可能被迫在產(chǎn)品周期的中途遭到更換。此外，晶片、封裝及電路板的協(xié)同設(shè)計(jì)與協(xié)同模擬(Co-design & Co-simulation)的技術(shù)，其復(fù)雜的程度隨著傳輸速度提升也日益增高。當(dāng)單一封裝所整合的晶片數(shù)量愈多，其封裝內(nèi)部的空間愈狹窄，散熱問(wèn)題就愈不容易解決。至于傳輸速率愈高，或整合進(jìn)來(lái)的晶片愈多，將使測(cè)試更加困難。且只要其中任一晶片失效，整顆封裝也跟著失效，良率勢(shì)必降低，造成成本提高，也使不良品分析的過(guò)程變得更復(fù)雜。
發(fā)揮產(chǎn)品價(jià)值SiP/SoC須慎選
創(chuàng)意電子發(fā)展SiP技術(shù)已多年，從原本架構(gòu)比較簡(jiǎn)單的二維(2D)平面置放(Side-by-side)，演進(jìn)到目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)三維(3D)晶粒堆疊(Stacked)，累積了豐富的SiP設(shè)計(jì)與量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，并同時(shí)與國(guó)內(nèi)外KGD供應(yīng)商密切合作，形成夥伴關(guān)系。針對(duì)上述不同架構(gòu)封裝設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)，創(chuàng)意電子更發(fā)展出獨(dú)特的技術(shù)及解決的方法，與客戶(hù)共同合作，開(kāi)發(fā)出不少效能佳，且大幅提升競(jìng)爭(zhēng)力的SiP產(chǎn)品。
在過(guò)去的30多年，同樣大小的積體電路上，電晶體數(shù)目大抵依循摩爾定律(Moore's Law)，每18個(gè)月增加一倍的數(shù)量。但近幾年來(lái)電晶體進(jìn)一步微縮的技術(shù)越來(lái)越困難，業(yè)界因此投入矽穿孔(TSV)技術(shù)，將晶片堆疊，朝3D發(fā)展，俾能持續(xù)依循摩爾定律的經(jīng)驗(yàn)法則。
TSV顧名思義是在矽晶片鉆細(xì)孔，填入金屬，藉此取代傳統(tǒng)的金屬打線(xiàn)，將金屬連線(xiàn)總長(zhǎng)度縮短到1毫米以下，能進(jìn)一步降低寄生的電阻、電感及電容(RLC)阻抗，進(jìn)而提高晶片本身的速度頻寬，并降低功耗。TSV也可以達(dá)到較多輸出端的需求，即Wide I/O概念，I/O端數(shù)目越多，傳輸速率可以更快。若從市場(chǎng)的需求來(lái)看，已有客戶(hù)尋求一百二十八至二千零四十八個(gè)I/O的記憶體KGD，以達(dá)到每秒兆位元(Tera-bit/sec)等級(jí)的高速度頻寬，目前已有記憶體廠(chǎng)商著手研發(fā)這一類(lèi)的產(chǎn)品，相信未來(lái)1凜2年內(nèi)即會(huì)有相關(guān)的產(chǎn)品上市(表1)。
事實(shí)上，使用堆疊技術(shù)的SiP也能算得上是3D IC的類(lèi)別，上述3D SiP所碰到的很多問(wèn)題，在3D TSV技術(shù)中也會(huì)出現(xiàn)，而且更加棘手。因此3D SiP設(shè)計(jì)、量產(chǎn)所累積的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，也將會(huì)是未來(lái)處理3D TSV問(wèn)題的基礎(chǔ)。前面提到SoC和SiP各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，TSV也將如此，而這些技術(shù)未來(lái)也會(huì)同時(shí)存在，使用者應(yīng)了解各別優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，整體考量應(yīng)用產(chǎn)品的特性與要求后，選擇一個(gè)最適合的技術(shù)，不必一味地追求最新的技術(shù)，或要求一定要使用何種技術(shù)。至于SoC、SiP及TSV在不同評(píng)比項(xiàng)目中相對(duì)優(yōu)缺點(diǎn)，則可作為選擇的參考(表2)。 [!--empirenews.page--]
(本文作者為創(chuàng)意電子SiP專(zhuān)案總監(jiān))
系統(tǒng)封裝(SiP)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)有一段時(shí)間，一般而言，SiP技術(shù)可以帶來(lái)微型化、縮短產(chǎn)品上市時(shí)間、提升晶片功能及異質(zhì)晶片整合等優(yōu)勢(shì)，有助于提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，被產(chǎn)業(yè)人士視為足以超越摩爾定律的技術(shù)。
首先，SiP將印刷電路板(PCB)上原本各自獨(dú)立分離的積體電路與電子元件，經(jīng)由封裝技術(shù)整合在一起，省下了所占的面積、材料，使得電子產(chǎn)品在外觀(guān)上達(dá)到輕薄短小的特色，發(fā)揮微型化(Miniaturization)的優(yōu)勢(shì)。而SiP可縮短產(chǎn)品上市時(shí)間(Time To Market)，相當(dāng)符合電子產(chǎn)品隨時(shí)代流行迅速變化的特性。
相對(duì)于印刷電路板的方式，SiP技術(shù)可以縮短金屬連線(xiàn)的距離，進(jìn)而降低其寄生阻抗，包括電阻、電感及電容，以提升傳輸速度、改善電磁干擾并減低耗電。
此外，即使晶片來(lái)自不的晶圓廠(chǎng)(Fab)，并擁有各式各樣的技術(shù)、制程材料及尺寸，都能透過(guò)SiP技術(shù)將所有晶片整合在同一個(gè)封裝內(nèi)，達(dá)到異質(zhì)整合的效果，使各種不同功能的晶片，都能選擇最具成本效益的制程。
以射頻(RF)元件為例，其制程微縮到90奈米的節(jié)點(diǎn)似乎遇到瓶頸，換言之，其實(shí)體面積受限于效能所需，已經(jīng)難以再持續(xù)縮小。若將射頻元件整合在65、40、28奈米的系統(tǒng)單晶片(SoC)制程，將必須負(fù)擔(dān)昂貴的先進(jìn)制程費(fèi)用，元件卻仍維持在相近的面積，難以有效降低成本。另外，又如傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取記憶體(DRAM)、快閃記憶體的制程與邏輯制程更大不相同，若將嵌入式DRAM、快閃記憶體跟邏輯電路整合在同一個(gè)SoC內(nèi)，其單位位元所占的面積將比傳統(tǒng)制程大上許多，將使成本居高不下，這也就是為什么嵌入式DRAM、快閃記憶體的容量通常無(wú)法太大的原因，若系統(tǒng)需要較大容量的記憶體，勢(shì)必須要外掛一個(gè)記憶體IC，或者透過(guò)SiP技術(shù)將元件整合在一起。其他類(lèi)似的例子還包括矽鍺(SiGe)或砷化鎵(GaAs)高頻(RF)元件及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的材料與制程，與邏輯制程有所不同，SiP技術(shù)就可藉機(jī)展現(xiàn)異質(zhì)整合的特性。
不同技術(shù)的晶片在不同制程中，其微縮比率存在落差，假設(shè)90奈米世代的面積大小為1.0，在較先進(jìn)的65奈米及45奈米世代時(shí)，其面積微縮的比率則不盡相同，其中輸入/輸出(I/O)和射頻元件幾乎沒(méi)有任何改變(圖1)，此時(shí)SiP的異質(zhì)整合特性，就能提供另外一個(gè)最佳化成本和效能的解決方案；當(dāng)然若能將異質(zhì)元件整合進(jìn)SoC，其訊號(hào)傳輸距離更短，性能提升，固然有其好處。
圖1 不同技術(shù)晶片制程微縮比率
雖然SiP本身也有增加成本的可能，但藉由簡(jiǎn)化印刷電路板的設(shè)計(jì)與面積，可達(dá)到降低整體成本的好處，同時(shí)避免開(kāi)發(fā)SoC所需的高額研發(fā)成本與較長(zhǎng)的研發(fā)時(shí)程。
因此，幾乎所有的消費(fèi)性電子產(chǎn)品都涵蓋在SiP的應(yīng)用范疇之內(nèi)，而非僅局限于某類(lèi)特定類(lèi)型產(chǎn)品的應(yīng)用。與其問(wèn)何種應(yīng)用產(chǎn)品適合使用SiP技術(shù)，不如探討上述的SiP優(yōu)點(diǎn)能否提升某類(lèi)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，如降低成本或縮短上市時(shí)間。消費(fèi)性電子產(chǎn)品包括智慧型手機(jī)、數(shù)位相機(jī)、平板裝置、智慧電視等，很多消費(fèi)性電子產(chǎn)品所要求的特性，正好能與SiP所展現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)相輔相成，因此也成為所有應(yīng)用產(chǎn)品類(lèi)別中，最頻繁使用SiP產(chǎn)品的領(lǐng)域。
牽一發(fā)動(dòng)全身KGD舉足輕重
盡管SiP擁有很多優(yōu)點(diǎn)，但不可避免的，SiP也碰到不少挑戰(zhàn)與困難，例如已知良裸晶(KGD)的來(lái)源難覓，及針測(cè)(Probe Test)困難度較高，尤以類(lèi)比(Analog)及射頻類(lèi)型的KGD最難處理，且一旦KGD碰到制程轉(zhuǎn)換或停止生產(chǎn)，可能被迫在產(chǎn)品周期的中途遭到更換。此外，晶片、封裝及電路板的協(xié)同設(shè)計(jì)與協(xié)同模擬(Co-design & Co-simulation)的技術(shù)，其復(fù)雜的程度隨著傳輸速度提升也日益增高。當(dāng)單一封裝所整合的晶片數(shù)量愈多，其封裝內(nèi)部的空間愈狹窄，散熱問(wèn)題就愈不容易解決。至于傳輸速率愈高，或整合進(jìn)來(lái)的晶片愈多，將使測(cè)試更加困難。且只要其中任一晶片失效，整顆封裝也跟著失效，良率勢(shì)必降低，造成成本提高，也使不良品分析的過(guò)程變得更復(fù)雜。
發(fā)揮產(chǎn)品價(jià)值SiP/SoC須慎選
創(chuàng)意電子發(fā)展SiP技術(shù)已多年，從原本架構(gòu)比較簡(jiǎn)單的二維(2D)平面置放(Side-by-side)，演進(jìn)到目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)三維(3D)晶粒堆疊(Stacked)，累積了豐富的SiP設(shè)計(jì)與量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，并同時(shí)與國(guó)內(nèi)外KGD供應(yīng)商密切合作，形成夥伴關(guān)系。針對(duì)上述不同架構(gòu)封裝設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)，創(chuàng)意電子更發(fā)展出獨(dú)特的技術(shù)及解決的方法，與客戶(hù)共同合作，開(kāi)發(fā)出不少效能佳，且大幅提升競(jìng)爭(zhēng)力的SiP產(chǎn)品。
在過(guò)去的30多年，同樣大小的積體電路上，電晶體數(shù)目大抵依循摩爾定律(Moore's Law)，每18個(gè)月增加一倍的數(shù)量。但近幾年來(lái)電晶體進(jìn)一步微縮的技術(shù)越來(lái)越困難，業(yè)界因此投入矽穿孔(TSV)技術(shù)，將晶片堆疊，朝3D發(fā)展，俾能持續(xù)依循摩爾定律的經(jīng)驗(yàn)法則。
TSV顧名思義是在矽晶片鉆細(xì)孔，填入金屬，藉此取代傳統(tǒng)的金屬打線(xiàn)，將金屬連線(xiàn)總長(zhǎng)度縮短到1毫米以下，能進(jìn)一步降低寄生的電阻、電感及電容(RLC)阻抗，進(jìn)而提高晶片本身的速度頻寬，并降低功耗。TSV也可以達(dá)到較多輸出端的需求，即Wide I/O概念，I/O端數(shù)目越多，傳輸速率可以更快。若從市場(chǎng)的需求來(lái)看，已有客戶(hù)尋求一百二十八至二千零四十八個(gè)I/O的記憶體KGD，以達(dá)到每秒兆位元(Tera-bit/sec)等級(jí)的高速度頻寬，目前已有記憶體廠(chǎng)商著手研發(fā)這一類(lèi)的產(chǎn)品，相信未來(lái)1凜2年內(nèi)即會(huì)有相關(guān)的產(chǎn)品上市(表1)。
事實(shí)上，使用堆疊技術(shù)的SiP也能算得上是3D IC的類(lèi)別，上述3D SiP所碰到的很多問(wèn)題，在3D TSV技術(shù)中也會(huì)出現(xiàn)，而且更加棘手。因此3D SiP設(shè)計(jì)、量產(chǎn)所累積的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，也將會(huì)是未來(lái)處理3D TSV問(wèn)題的基礎(chǔ)。前面提到SoC和SiP各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，TSV也將如此，而這些技術(shù)未來(lái)也會(huì)同時(shí)存在，使用者應(yīng)了解各別優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，整體考量應(yīng)用產(chǎn)品的特性與要求后，選擇一個(gè)最適合的技術(shù)，不必一味地追求最新的技術(shù)，或要求一定要使用何種技術(shù)。至于SoC、SiP及TSV在不同評(píng)比項(xiàng)目中相對(duì)優(yōu)缺點(diǎn)，則可作為選擇的參考(表2)。 [!--empirenews.page--]
(本文作者為創(chuàng)意電子SiP專(zhuān)案總監(jiān))
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