據(jù)麥姆斯咨詢介紹，芯片及系統(tǒng)外形尺寸的發(fā)展趨勢是越做越小，嵌入式芯片封裝因此找到了新的需求。

根據(jù)Yole的報告，日月光（ASE）、奧特斯（AT&S）、通用電氣（GE）、新光（Shinko）、太陽誘電（Taiyo Yuden）、TDK、Würth Elektronik等公司都在商業(yè)嵌入式芯片封裝市場中展開激烈的競爭。事實上，在這場競爭中，ASE與TDK聯(lián)手合作提高產(chǎn)量。此外，德州儀器（Texas Instruments，TI）和其他集成電路制造商也開發(fā)了各自的嵌入式芯片封裝。

嵌入式芯片封裝與大多數(shù)封裝類型并不相同。一般來說，在許多集成電路封裝中，器件位于基板的頂部?；宄洚?dāng)器件與封裝板間“橋梁”的角色。

“嵌入式封裝”一詞有著不同的含義。但是在嵌入式芯片封裝的世界中，指采用多步驟制造工藝將元器件嵌入到基板中。單芯片、多芯片、MEMS或無源元器件均可以并排式（side-by-side）方式嵌入到有機層壓基板（organic laminate substrate）之中。這些元器件均通過鍍銅的通孔（via）連接起來?？偠灾?，通過嵌入式封裝，就可以釋放系統(tǒng)中的空間。

圖1：TDK嵌入式芯片封裝工藝，稱為SESUB（來源：TDK，Prismark）


嵌入式芯片封裝并不是一項新技術(shù)，可由于工藝中存在各種各樣的挑戰(zhàn)，這項技術(shù)被歸為小眾應(yīng)用，但前景光明。例如，TDK最近使用其專有的嵌入式芯片技術(shù)，推出了世界上最小的藍(lán)牙模塊。此外，嵌入式芯片技術(shù)提供了可用于各種應(yīng)用的多個選項，如微型封裝、模塊及板上系統(tǒng)（system-in-boards，SiBs）等。

圖2：在TDK的工藝中，器件被嵌入四個極薄的基板疊層中，以微互連和通孔為主要特點，總高度為300μm

ASE的工程技術(shù)市場營銷總監(jiān)Mark Gerber說：“顯然，尺寸是將有源芯片嵌入基板中的驅(qū)動因素。在‘x’和‘y’軸上，會顯著地整體收縮。當(dāng)考慮版圖布線更大化時，這種微型化可讓設(shè)計多一些靈活性。如今嵌入式有源元器件的市場，主要圍繞著功率模擬器件領(lǐng)域。藍(lán)牙無線模塊（Bluetooth WiFi modules）的微型化特點，已成為嵌入式芯片封裝的主要應(yīng)用領(lǐng)域。其他應(yīng)用還包括手機市場的射頻模塊。”

嵌入式芯片封裝也有缺點。由于它結(jié)合了用于先進封裝和印刷電路板（PCB）的技術(shù)，因此面臨一些制造方面的挑戰(zhàn)。此外，生態(tài)系統(tǒng)還相對不成熟。Yole的分析師Vivienne Hsu解釋道：“嵌入式芯片的成本仍然過高，且有時良率太低?！?/p>

盡管如此，這項技術(shù)還是在多方面取得了進展，為客戶提供了另一種選擇。事實上，根據(jù)Hsu的說法，這項技術(shù)與扇出（fan-out）型封裝、引線框架封裝（leadframe packages）和功率模塊（power modules）封裝有重疊之處，有時還會相互競爭。

根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，嵌入式芯片封裝市場規(guī)模仍然較小，2017年至2018年，該市場規(guī)模預(yù)計將從1500萬美元增至1800萬美元。到2023年，該市場規(guī)模預(yù)計將達(dá)到5000萬美元。

多種封裝方式的選擇

嵌入式芯片封裝是眾多集成電路（IC）封裝類型中的一種?；旧希琁C封裝可分為三大類：引線框架封裝、晶圓級封裝（WLP）和基板級封裝。

第一類：引線框架封裝。用于模擬和其他市場的引線框架封裝系列涉及多種封裝類型，如方形扁平無引腳封裝（QFN）和方型扁平式封裝（QFP）。引線框架是金屬框架，裸片貼裝在框架上，用細(xì)引線連接。

圖3：QFN封裝示意圖（資料來源：維基百科）

第二類：晶圓級封裝（WLP）。這類封裝主要涉及扇入型（fan-in）和扇出型（fan-out）兩種封裝類型。WLP封裝時裸片還在晶圓上。一般來說，WLP是一種無基板封裝。WLP利用由布線層（routing layers）或重新布線層（RDL）構(gòu)成的薄膜來代替基板，該薄膜在封裝中提供電氣連接。

RDL不會直接與電路板連接。相反，WLP會在封裝體底部使用錫球，從而將RDL連接到電路板。

圖4：扇入型封裝、倒裝芯片與扇出型封裝技術(shù)的比較

第三類：基于基板的封裝。與此同時，基于基板的封裝可分為陶瓷基板與有機層壓基板等類別。陶瓷基板是基于氧化鋁、氮化鋁和其他材料制成。基于陶瓷基板的封裝通常用于表面貼裝器件（surface-mount devices）、CMOS圖像傳感器和多芯片模塊（multi-chip module）。

有機層壓基板通常用于2.5D/3D、倒裝芯片和系統(tǒng)級封裝（SiP）中。這類封裝的器件位于基板之上。有機基板的材料通常是FR-4或其他材料。FR-4是一種由環(huán)氧樹脂組成的玻璃纖維布。這些基板使用類似或相同的材料作為PCB。所以在某些圈子里，有機基板有時就被稱為PCB。有機基板也是多層技術(shù)，其中至少有兩層有機層被金屬層隔開。金屬層在封裝中充當(dāng)電遷移阻擋層（electromigration shield）。

通常情況下，IC會被封裝在電路板上，但這樣有時會占用系統(tǒng)中寶貴的電路板空間。因此為什么不把芯片嵌入到基板中以節(jié)省空間和成本呢？

這就是嵌入式芯片封裝的用武之地，并不會與扇出型封裝相混淆。在扇出型封裝中，裸片會被嵌入到環(huán)氧模壓樹脂（molded epoxy compound）填充的重新建構(gòu)晶圓（reconstituted wafer）中。

嵌入式芯片封裝是不同的。這些元器件被嵌入到多層基板中。美國TDK的高級戰(zhàn)略營銷經(jīng)理Nigel Lim解釋道：“IC會被嵌入基板的核心部位。核心部位是用特殊的樹脂做的，其他基板層均是標(biāo)準(zhǔn)的PCB材料”。

Lim說：“裸片通常是并排放置的。TDK對并排放置2~3個裸片有著豐富的經(jīng)驗。如果是標(biāo)準(zhǔn)的4層基板，所有裸片都會被放置于2層與3層之間，且裸片不會堆疊?！?/p>

這樣排列好處較多。AT&S高級封裝業(yè)務(wù)部的首席執(zhí)行官Dietmar Drofenik和AT&S公司研發(fā)部的主任Hannes Vorarberger表示：“ECP技術(shù)的主要優(yōu)點有：促進尺寸微型化、互連可靠、性能更高，并改善了對集成元器件的保護?！盇T&S是PCB和基板的供應(yīng)商，將其嵌入式技術(shù)稱為嵌入式元器件封裝（Embedded Component Packaging ，ECP）。

Drofenik和Vorarberger還補充道：“ECP還支持模塊化的趨勢，通過降低其他封裝技術(shù)的成本來實現(xiàn)。隱身的電子器件（嵌入式芯片）可有效防止逆向工程和造假。”

嵌入式芯片是將多個芯片集成到單個封裝體中的幾種方法之一，但并不是唯一選擇。TEL NEXX公司的戰(zhàn)略業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Cristina Chu說：“系統(tǒng)級封裝是最受歡迎的選擇。由于成本原因，扇出型封裝也有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＵ沁@些封裝解決方案為市場提供價格更低、技術(shù)更好的解決方案?！保ˋSM Pacific已宣布從TEL公司收購TEL NEXX的計劃。）

另一個選項是2.5D/3D。所有這些封裝類型為客戶提供了多種選擇。IC供應(yīng)商可繼續(xù)根據(jù)傳統(tǒng)的芯片尺寸的縮小規(guī)律來開發(fā)片上系統(tǒng)（SoC）產(chǎn)品，此外，只有少數(shù)供應(yīng)商能夠負(fù)擔(dān)得起先進節(jié)點的設(shè)計成本。

另一種獲得尺寸縮小好處的方法是將多個器件放在單個先進封裝體中，這可能會以較低的成本提供SoC的功能。這就是所謂的異構(gòu)集成。

為什么嵌入式芯片這么流行？

多年來，這個行業(yè)一直以這樣或那樣的形式來實現(xiàn)嵌入式芯片和無源元器件的封裝，嵌入式芯片封裝可追溯到上世紀(jì)90年代，通用電氣（GE）和其他公司推出了該項技術(shù)。TechSearch International總裁Jan Vardaman說：“TI的MicroSIP并不是首個嵌入式芯片封裝，卻是最早那批之一?！?/p>

事實上，這項技術(shù)是在2010年開始興起的，當(dāng)時德州儀器公司（Texas Instruments，TI）推出了其MicroSiP電源模塊。該模塊將IC嵌入到基板中，其厚度僅為1mm。該產(chǎn)品配置之一是，TI將其PicoStar電源管理器件嵌入到基板中，并將無源元器件安裝在封裝體的頂部。

TI目前還在銷售MicroSiP。TI的Sreenivasan Koduri說：“我們正在將特別設(shè)計和制造的PicoStar封裝（不是IC）嵌入到基板/ PCB中。電路IP、PicoStar、嵌入芯片與無源芯片集成的組合，實現(xiàn)了價值定位。這就是這項技術(shù)得以突破先前解決方案的限制障礙的原因?！?/p>

圖5：TI MicroSiP的橫截面圖

其他公司在競爭中增強自身實力。2013年，GE收購了市場上的領(lǐng)先企業(yè)Imbera。2015年，ASE和TDK在競爭中成立了一家合資企業(yè)。根據(jù)Yole的報告，到2015年，該合資企業(yè)中的嵌入式芯片封裝業(yè)務(wù)規(guī)模達(dá)到了2400萬美元。但在2016年和2017年期間，該公司的業(yè)務(wù)出現(xiàn)了下滑，主要原因是該技術(shù)的關(guān)鍵市場（用于移動設(shè)備的攝像頭模塊）增速放緩。

此外，嵌入式芯片的產(chǎn)品設(shè)計周期比預(yù)期的要長。TechSearch的Vardaman說：“良率是嵌入式芯片的主要挑戰(zhàn)之一?！?/p>

然而，如今嵌入式芯片封裝正呈現(xiàn)新的增長態(tài)勢。Yole的Hsu說：“這項技術(shù)正在逐漸復(fù)興，對數(shù)據(jù)中心這類有優(yōu)化熱管理需求的行業(yè)吸引力巨大。汽車行業(yè)對這項技術(shù)也有濃厚的興趣。該技術(shù)主要適用于有高功耗（熱管理更佳）或超小型（厚度更?。┬枨蟮膽?yīng)用?！?/p>

與其他技術(shù)相同，嵌入式芯片封裝這項技術(shù)同樣面臨著成本、良率和其他問題。Hsu說：“嵌入芯片后，就很難對最終的產(chǎn)品進行測試了。嵌入式芯片的供應(yīng)鏈還相對不夠成熟?！?/p>

其實，該技術(shù)還存在其他問題。西門子（Siemens Business）子公司Mentor的產(chǎn)品營銷經(jīng)理David Wiens說：“在PCB空間中，嵌入式無源薄膜元器件（電阻、電容、電感）正在朝超小尺寸發(fā)展。額外的制造成本在一定程度上與減少的組裝成本相抵消。嵌入式有源器件屬于較新的技術(shù)，符合小尺寸趨勢。由于無法進行返工，注定價格昂貴，而且通常還需要RDL?！?/p>

近期，該行業(yè)已經(jīng)采取相應(yīng)的措施來支持這項技術(shù)。幾年前，TDK發(fā)布了名為半導(dǎo)體嵌入式硅基板（SESUB）的嵌入式芯片技術(shù)。TDK已經(jīng)使用SESUB對包括世界上最小的藍(lán)牙模塊在內(nèi)的產(chǎn)品實現(xiàn)了封裝。

然而，SESUB是專屬型解決方案。一般來說，客戶為確保充足的供貨和優(yōu)質(zhì)的定價，需要第二個供貨渠道。

這也是TDK與ASE共同組建合資企業(yè)的動機之一。在合資企業(yè)之前，ASE通過兩方面參與市場：第一，ASE憑借自己研發(fā)的產(chǎn)品；第二，對于那些想要SESUB的客戶，ASE就會將設(shè)計或元器件發(fā)給TDK，TDK會為ASE進行封裝。

目前，通過合資企業(yè)的方式，ASE可提供整個SESUB的解決方案。該公司已將設(shè)備安排在臺灣工廠，并正在加緊擴大這項技術(shù)的產(chǎn)能。

在基本的SESUB流程中，晶圓在代工廠中加工。晶圓被減薄到50μm，芯片被切割成小塊。然后，芯片被放置在單獨的面板上，在那里將進行板級（panel-level）工藝。在面板中，我們的目的是加工更多芯片，而不是處理晶圓，以降低成本。

板級工藝也正在為其他市場進行研發(fā)。該行業(yè)正在以板級的方式開發(fā)扇出型封裝。這與板級嵌入式芯片封裝并不相同。

與此同時，在嵌入式芯片流程中，裸片被貼裝在基板的核心位置。裸片會并排放置在其中的一層中。ASE的Gerber說：“那么，最終會在裸片上層壓一種材料。然后，回來用激光照射該材料來形成焊盤（pad）。接著，進行圖形化工藝再在其上貼裝電路板?！?/p>

其成果就是將嵌入式芯片的厚度減小到260~300μm。Gerber補充道：“在嵌入式芯片中，可以集成的裸片數(shù)量是沒有限制的。但大多數(shù)情況都將集成芯片的數(shù)量保持在4個或更少。因為嵌入的裸片越多，良率損失的風(fēng)險就越大。”

這項技術(shù)有對電熱管理有利。Gerber繼續(xù)解釋：“這與正在進行的如TSV的3D堆疊解決方案沒什么不同。裸片排列更緊湊，這樣互連會更短。當(dāng)在嵌入式技術(shù)上進行互連工藝時，就是在pad的頂部構(gòu)建了布線層。因此當(dāng)創(chuàng)建通孔或連接點與pad連接，我發(fā)現(xiàn)一種無需焊料就可以實現(xiàn)互連的方法，這就是copper-to-copper。從可靠性的角度來看，如果材料匹配，就不會有太多問題。”

在SESUB中，最通用的配置是4層基板的嵌入式封裝，有些也會開發(fā)2層、5層或6層的基板。

該技術(shù)對于輸入輸出（I/O）數(shù)量的理想數(shù)值是400。line/space的規(guī)范是大于等于10μm。pad尺寸為80μm，pad間的間距為120μm。Gerber說：“到2018年和2019年，pad尺寸有望會降為30μm，間距降為50μm?！?/p>

與此同時，ASE提供了自主研發(fā)的名為“先進嵌入式有源系統(tǒng)集成（aEASI）”的嵌入式芯片技術(shù)。在近些年的生產(chǎn)過程中，aEASI專為高功率應(yīng)用提供服務(wù)。這是將引線框架和基板技術(shù)混合使用的封裝技術(shù)。

其他選擇

2008年，歐洲成立了將致力于嵌入式芯片技術(shù)商業(yè)化的聯(lián)盟。AT&S公司實現(xiàn)了ECP技術(shù)的商業(yè)化。

AT&S的Drofenik和Vorarberger解釋道：“ECP使用有機層壓基板中的空間來嵌入有源（芯片）或無源元器件。電容器和電阻器的厚度薄且采用銅布線，已經(jīng)開發(fā)成功，而壓敏電阻和熱敏電阻還在開發(fā)中。”

MEMS也可以集成到封裝中。與SESUB一樣，ECP也使用板級的方式進行處理。Drofenik和Vorarberger說：“嵌入式工藝可分為三個主要步驟：元器件組裝（核心結(jié)構(gòu)、形成空腔、貼保護層）、層壓（樹脂填充，去保護層）、以及結(jié)構(gòu)化（激光鉆孔、電子測試）。”

圖6：ECP工藝流程

這項技術(shù)可用于汽車、通信、醫(yī)療、手機和其他應(yīng)用。Drofenik和Vorarberger說：“如今，使用這項技術(shù)的典型應(yīng)用有：如穿戴設(shè)備、MEMS、無線連接模塊等便攜式電子設(shè)備，如助聽器等醫(yī)療產(chǎn)品，識別系統(tǒng)或通過扇出技術(shù)實現(xiàn)細(xì)間距的IC?！?/span>

圖7：ECP工藝流程

接下來會如何發(fā)展？這項技術(shù)正朝著AT&S所說的“一體化”模塊發(fā)展。這正是當(dāng)今技術(shù)的發(fā)展趨勢。這會涉及使用先進的PCB之類的基板和封裝來開發(fā)集成度更高、尺寸更小的模塊。

為此，客戶將有封裝一系列新型元器件和技術(shù)供選擇，包括：絕緣金屬基板、多層基板、高密度互連（HDI）、柔性PCB和插入式選項。Drofenik和Vorarberger說：“如先進SIP和SiB等新型先進封裝技術(shù)，能在很大程度上將所有基本技術(shù)以模塊化的形式結(jié)合起來?！?/p>

嵌入式芯片封裝前途值得期待！如果能夠克服一些挑戰(zhàn)，它將會有廣闊的發(fā)展空間。如果暫時無法克服，它仍是一項利基技術(shù)。最壞的情況是，它可能會在混亂的封裝技術(shù)前景中迷失方向。

延伸閱讀：

《嵌入式芯片封裝技術(shù)及市場趨勢-2016版》

《板級封裝（PLP）技術(shù)及市場趨勢-2018版》

《先進基板技術(shù)及市場現(xiàn)狀-2018版：嵌入式芯片和互聯(lián)、基板式PCB趨勢》

《手機應(yīng)用的先進射頻（RF）系統(tǒng)級封裝-2017版》

《TDK藍(lán)牙（Bluetooth）微型模塊：SESUB-PAN-D14580》

《MEMS封裝市場及技術(shù)發(fā)展趨勢-2017版》

《先進封裝產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀-2017版》

《扇出型封裝技術(shù)和市場趨勢-2017版》

《扇出型封裝器件和材料-2017版》