扇出型封装为何这么火？

——麦姆斯咨询详解扇出型封装技术
2017年依然炙手可热的扇出型封装行业
新年伊始，两起先进封装行业的并购已经曝光：维易科（Veeco）签订了8.15亿美元收购优特（Ultratech）的协议，安靠（Amkor Technology）将收购Nanium（未公开交易价值）。Ultratech是扇出型封装光刻设备的市场领导者，Veeco此次交易将有助巩固其在先进封装市场的地位，并丰富光刻机台的产品组合。Amkor交易案将带来双赢的局面：对于Amkor来讲，欧洲公司Nanium在内嵌式晶圆级球栅阵列（eWLB）生产中积累了近10年的晶圆级封装经验，收购Nanium将有助Amkor这家美国巨头完善在扇出型封装方面的专业知识；对Nanium而言，作为欧洲最大的外包半导体组装与测试（OSAT）服务供应商，将获得更多的资金和OSAT业内的影响力，因而可以和亚洲龙头企业竞争。
两起并购案预示了在2016年已经热起来的扇出型封装行业将继续保持火热态势。设备商Veeco、封装测试供应商（Amkor、日月光、星科金朋）、晶圆代工厂（TSMC和GLOBALFOUNDRIES）等等都在此布局。那么，究竟什么是扇出型封装行业?扇出型封装有什么独特的优势?麦姆斯咨询在下文中为你做一个全面的解释。
七年发展之路，台积电成功量产InFO带来了扇出型封装的“春天”
2009-2010年期间，扇出型晶圆级封装（Fan-Out Wafer Level Packaging, FOWLP）开始商业化量产，初期主要由英特尔移动（Intel Mobile）推动。但是，扇出型晶圆级封装被限制于一个狭窄的应用范围：手机基带芯片的单芯片封装，并于2011年达到市场极限。2012年，大型无线/移动Fabless厂商开始进行技术评估和导入，并逐步实现批量生产。
2013-2014年，扇出型晶圆级封装面临来自其它封装技术的激烈竞争，如晶圆级芯片尺寸封装（WLCSP）。英特尔移动放弃了该项技术，2014年主要制造商也降低了封装价格，由此市场进入低增长率的过渡阶段。
2016年，TSMC在扇出型晶圆级封装领域开发了集成扇出型（Integrated Fan-Out, InFO）封装技术用于苹果iPhone 7系列手机的A10应用处理器。苹果和TSMC强强联手，将发展多年的扇出型封装技术带入了量产，其示范作用不可小觑，扇出型封装行业的“春天”终于到来！

扇出型封装技术的发展历史
扇出型封装技术及优势详解
从技术特点上看，晶圆级封装主要分为扇入型（Fan-in）和扇出型（Fan-out）两种。传统的WLP封装多采Fan-in型态，应用于引脚数量较少的IC。但伴随IC信号输出引脚数目增加，对焊球间距（Ball Pitch）的要求趋于严格，加上印刷电路板（PCB）构装对于IC封装后尺寸以及信号输出引脚位置的调整需求，扇出型封装方式应运而生。扇出型封装采取拉线出来的方式，可以让多种不同裸晶，做成像WLP工艺一般埋进去，等于减一层封装，假设放置多颗裸晶，等于省了多层封装，从而降低了封装尺寸和成本。各家厂商的扇出型封装技术各有差异，在本文以台积电的集成扇出型晶圆级封装（integrated fan out WLP，以下简称InFO）进行详细介绍。
台积电在2014年宣传InFO技术进入量产准备时，称重布线层（RDL）间距（pitch）更小（如10微米），且封装体厚度更薄。

台积电InFO技术实现封装厚度250um，RDL间距10um

台积电InFO剖面图
InFO给予了多个芯片集成封装的空间，比如：8mm x 8mm平台可用于射频和无线芯片的封装，15mm x 15mm可用于应用处理器和基带芯片封装，而更大尺寸如25mm x 25mm用于图形处理器和网络等应用的芯片封装。

InFO适用多种可穿戴类设备
相比倒装芯片球栅格阵列（FC-BGA）封装，InFO优势非常明显。对于无源器件如电感、电容等，InFO技术在塑封成型时衬底损耗更低，电气性能更优秀，外形尺寸更小，带来的好处则是热性能更佳，在相同的功率分配下工作温度更低，或者说相同的温度分布时InFO的电路运行速度更快。
在InFO技术中，铜互连形成在铝PAD上，应用于扇出型区域以制造出高性能的无源器件如电感和电容。与直接封装在衬底的片式（on-chip）电感器相比，厚铜线路的寄生电阻更小，衬底与塑封料间的电容更小，衬底损耗更少。以3.3nH的电感为例，65nm的CMOS采用on-chip封装方式其品质因子Q为12，而InFO封装则可达到高峰值42。电感与塑封料越接近，损耗因子越小，Q值越高。当然，如果电感直接与塑封料接触，性能最佳。

电感采用on-chip和InFO封装的性能比较
我们来看看多芯片FC-BGA封装方式和InFO封装方式的比较。封装尺寸为8mm x 8mm，内有一个5mm x 5mm的基带芯片，2个2mm x 1.25mm的小芯片，环境温度为25C，功耗为2W，符合典型移动系统的要求。InFO封装方式显示出了明显的热性能优异性。InFO封装方式中“消失的”的基板层减小了整体尺寸，切断了芯片通往基板的热流通路径。总体来讲，InFO封装方式的热电阻比传统多芯片组件（MCM）低约14%。（前者为28.0C/W，后者为32.5C/W），从而带来最大达9C的温度差异。

InFO WLP与FC BGA MCM热性能比较
60GHz毫米波通信系统允许高清视频流和快速文件传输，已经吸引了千兆数据传输应用。低温共烧陶瓷技术（Low Temperature Co-fired Ceramic LTCC）和PCB基板用于集成毫米波天线与射频芯片，但芯片通过凸块或焊球连接到天线中出现较高的互连损耗，功耗问题是主要的难点。
宽带贴片天线采用InFO封装缘由其低介电常数和厚基板的使用。57~64GHz可以选择介电常数为4、厚度为300um（下图中h2）的塑封料（MC）。结构为两层RDLs之间夹一层MC。一层是位于MC顶部的贴片式散热器，其尺寸890（W）um x 1020（L）um；另一层是位于MC下面的馈电结构，嵌入在聚合物之中。

采用InFO封装方式的宽带贴片天线
从下面的图表可以看到，倒装芯片的功率放大器输出功率为14.5mW，而采用InFO封装则低至11.7mW，节省了17%的功耗。
一般来说，寄生效应越小，互连损耗越低。下图的右图显示了不同封装方式的集总电路模型的电感和电容。可以清楚地看到，使用铜通孔的扇出型封装寄生效应更小。与C4（Controlled Collapse Chip Connection，可控塌陷芯片连接）相比，减少70%的电感和73%电容，充分说明了扇出型封装的损耗是低于BGA和LTCC基板凸块封装的。

InFO、倒装芯片和BGA三种封装方式比较
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延伸阅读：
《扇出型封装技术及市场趋势-2016版》
《扇入型封装技术及市场趋势-2016版》