本文來自微信公眾號(hào)“半導(dǎo)體行業(yè)觀察”。
無線連接和更多傳感器的快速增加，再加上從單片SoC向異構(gòu)集成的轉(zhuǎn)變，正在增加系統(tǒng)中模擬/RF內(nèi)容的數(shù)量并改變封裝內(nèi)的動(dòng)態(tài)。
自21世紀(jì)初以來，在最先進(jìn)節(jié)點(diǎn)上使用的大多數(shù)芯片都是片上系統(tǒng)(SoC)。所有功能都必須裝入單個(gè)平面SoC，而這受限于標(biāo)線的尺寸。要添加更多功能，就需要縮小芯片上的所有組件。但由于模擬/射頻無法從縮放中獲益，因此模擬/射頻IP通常被重新設(shè)計(jì)為主要為數(shù)字，部分為模擬（大D，小A）?，F(xiàn)在，隨著縮放成本的飆升，以及每個(gè)新節(jié)點(diǎn)縮放的功率、性能和面積/成本優(yōu)勢(shì)的減弱，芯片行業(yè)越來越專注于設(shè)計(jì)前沿的先進(jìn)封裝和小芯片。
這反過來又為在最佳工藝節(jié)點(diǎn)上開發(fā)特定功能的純模擬/射頻功能打開了大門。一般來說，它還允許更多的功能。但對(duì)于芯片制造商來說，將所有這些功能添加到固定的封裝尺寸中會(huì)帶來一些熟悉的挑戰(zhàn)。目前最大的挑戰(zhàn)是確保模擬/射頻電路（通常比數(shù)字電路對(duì)各種類型的噪聲、電磁干擾和熱量更敏感）在異構(gòu)設(shè)備內(nèi)的預(yù)期使用壽命內(nèi)正常運(yùn)行，即使這些設(shè)備的行為隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化。
Synopsys技術(shù)產(chǎn)品管理高級(jí)總監(jiān)Jian Yang表示：“模擬或射頻功能被視為非常敏感的電路。當(dāng)射頻接收器與數(shù)字功能集成在同一芯片上時(shí)，數(shù)字噪聲可能會(huì)淹沒射頻信號(hào)，因此需要采用強(qiáng)大的隔離技術(shù)。射頻涵蓋了無線的一切，從在各種頻段運(yùn)行的智能手機(jī)無線電到衛(wèi)星通信和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。另一方面，模擬功能充當(dāng)數(shù)字世界和物理世界之間的接口，促進(jìn)設(shè)備中的高速數(shù)據(jù)傳輸和信號(hào)處理。”
設(shè)備中使用的射頻和模擬內(nèi)容的數(shù)量正在增長(zhǎng)，使用模擬作為收集數(shù)據(jù)的前端接口，同時(shí)利用數(shù)字處理的速度來組織數(shù)據(jù)并識(shí)別模式。“對(duì)內(nèi)部射頻/模擬功能的需求達(dá)到了歷史最高水平，預(yù)計(jì)還會(huì)增加，”Amkor測(cè)試技術(shù)高級(jí)總監(jiān)Vineet Pancholi表示。
封裝行業(yè)的變化
然而，將這兩個(gè)領(lǐng)域結(jié)合起來從來都不是一件容易的事。在先進(jìn)封裝中集成RF（射頻）和模擬功能需要對(duì)封裝技術(shù)進(jìn)行多項(xiàng)創(chuàng)新和變革，以應(yīng)對(duì)這些功能帶來的獨(dú)特挑戰(zhàn)。
Pancholi表示：“IC封裝行業(yè)的進(jìn)步通過分區(qū)屏蔽提高了數(shù)字、模擬和射頻域之間的隔離度，這是推動(dòng)市場(chǎng)增長(zhǎng)的部分原因。”
扇出型晶圓級(jí)封裝已被證明特別適用于集成射頻和模擬，因?yàn)樗谟邢薜纳漕l芯片面積內(nèi)提供足夠數(shù)量的I/O，并且寄生效應(yīng)（尤其是電阻和電容）較低。通過消除對(duì)中介層的需求并使用直接銅互連，F(xiàn)OWLP可減少信號(hào)損耗并增強(qiáng)信號(hào)完整性。此外，F(xiàn)OWLP支持更高程度的小型化和更好的電氣性能。
“有兩種趨勢(shì)-使用FOWLP將RF/模擬模塊完全集成到單個(gè)SoC中，以及使用SiP模塊或小芯片將多個(gè)芯片集成到單個(gè)封裝中，”Amkor Korea系統(tǒng)解決方案部副總裁、研究員兼經(jīng)理Brian Hwang解釋道。
系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)利用硅通孔(TSV)，這是支持RF和模擬功能集成的另一項(xiàng)進(jìn)步，允許垂直堆疊多個(gè)芯片。這縮短了互連長(zhǎng)度，并最大限度地降低了信號(hào)延遲和功耗。這種垂直集成對(duì)于信號(hào)時(shí)序和完整性至關(guān)重要的RF應(yīng)用尤其有益。TSV提供低電感和低電阻路徑，這對(duì)于高頻信號(hào)傳輸至關(guān)重要。
微凸塊還在先進(jìn)封裝中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，因?yàn)樗梢栽谟邢薜男酒娣e內(nèi)提供必要的接口數(shù)量和容量。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于創(chuàng)建將射頻/模擬芯片與高端數(shù)字和內(nèi)存組件相結(jié)合的芯片尤為重要。通過實(shí)現(xiàn)更細(xì)間距的互連，微凸塊有助于保持信號(hào)完整性并減少與較大凸塊相關(guān)的寄生效應(yīng)。
先進(jìn)的基板材料已經(jīng)得到開發(fā)，以支持射頻和模擬功能的集成。低損耗基板材料（例如玻璃或高級(jí)陶瓷）有助于減少信號(hào)衰減并提高高頻射頻信號(hào)的性能。結(jié)合不同材料的復(fù)合基板利用其各自的優(yōu)勢(shì)（導(dǎo)熱性、機(jī)械穩(wěn)定性和低介電損耗）來增強(qiáng)封裝的整體性能。
異構(gòu)集成方法（例如SiP和小芯片）在集成具有不同功能的多個(gè)芯片時(shí)提供了靈活性和效率。SiP技術(shù)允許使用先進(jìn)的互連和封裝技術(shù)將射頻、模擬、數(shù)字和內(nèi)存功能集成到單個(gè)封裝中。小芯片可以集成預(yù)制功能塊，從而促進(jìn)射頻和模擬功能與先進(jìn)的數(shù)字邏輯和內(nèi)存技術(shù)的結(jié)合。
Amkor公司的Hwang表示：“需求將會(huì)增加，因?yàn)镽F/模擬功能將使用低端工藝節(jié)點(diǎn)或已經(jīng)驗(yàn)證過的IP進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，而數(shù)字IP和內(nèi)存將使用高端工藝和先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造。因此，在一個(gè)系統(tǒng)中，RF/模擬IP的需求與數(shù)字/內(nèi)存IP的需求之間將存在差距。”
測(cè)試挑戰(zhàn)
測(cè)試進(jìn)步對(duì)于管理復(fù)雜性和確保集成RF和模擬功能的先進(jìn)半導(dǎo)體封裝的質(zhì)量至關(guān)重要。先進(jìn)的特性分析和高頻測(cè)試技術(shù)（如網(wǎng)絡(luò)分析儀和時(shí)域反射儀）可以準(zhǔn)確表征RF組件性能。此外，RF和模擬功能的內(nèi)置自檢(BiST)電路可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和診斷。
“測(cè)試RF-SOI（射頻絕緣硅）和3D-IC等先進(jìn)封裝中的射頻和模擬元件需要結(jié)合使用專用設(shè)備、先進(jìn)的模擬工具以及對(duì)半導(dǎo)體物理學(xué)和每種封裝技術(shù)的具體特性的復(fù)雜知識(shí)，”聯(lián)華電子測(cè)試和封裝支持總監(jiān)Jeff Cheng說道。“隨著這些封裝的復(fù)雜性增加，確保設(shè)備性能和可靠性所需的測(cè)試復(fù)雜性也隨之增加。”
例如，使用微凸塊技術(shù)進(jìn)行射頻探針測(cè)試面臨多項(xiàng)挑戰(zhàn)，這主要是由于微凸塊尺寸小且間距細(xì)密。微凸塊尺寸極小，難以進(jìn)行精確探測(cè)，因?yàn)楸仨毦_對(duì)準(zhǔn)探針才能實(shí)現(xiàn)可靠接觸，而不會(huì)損壞精密結(jié)構(gòu)。此外，在測(cè)試期間保持信號(hào)完整性也具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)楦哳l信號(hào)很容易因探針接觸中哪怕是微小的缺陷而失真。探針施加的機(jī)械應(yīng)力也可能導(dǎo)致微凸塊變形或斷裂，從而使測(cè)試過程進(jìn)一步復(fù)雜化。為了解決這些問題，需要采用先進(jìn)的探針設(shè)計(jì)和材料以及細(xì)致的校準(zhǔn)和對(duì)準(zhǔn)程序，以確保對(duì)配備微凸塊的設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的射頻測(cè)試。
Synopsys的Yang表示：“對(duì)于模擬、混合信號(hào)類型的電路，BIST是設(shè)計(jì)的一部分。對(duì)于RF類型的集成，可訪問性仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。您將探頭放在哪里？如何設(shè)計(jì)探頭板以確保干凈的信號(hào)刺激和最小的探測(cè)和測(cè)試裝置損耗？”
在處理先進(jìn)封裝上的最小間距配置時(shí)，測(cè)試過程也面臨重大挑戰(zhàn)?；ミB之間的間距減小會(huì)增加短路和串?dāng)_的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)榧词故禽p微的錯(cuò)位也會(huì)導(dǎo)致相鄰線路相互干擾。確保精確對(duì)準(zhǔn)至關(guān)重要，但隨著間距減小，這變得越來越困難，需要更先進(jìn)、更精確的設(shè)備。此外，間距減小使得保持信號(hào)完整性變得更加困難，因?yàn)榛ミB的緊密接近會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰減和電磁干擾增加。這些挑戰(zhàn)需要開發(fā)專門的工具和技術(shù)，以準(zhǔn)確處理、檢查和測(cè)試最小間距配置，而不會(huì)影響半導(dǎo)體器件的性能或可靠性。
Amkor公司的Pancholi表示：“整體數(shù)據(jù)帶寬在不斷增加，無線傳輸?shù)腞F帶寬也在不斷增加。為了支持這種增長(zhǎng)，每條通道的數(shù)據(jù)速率也在增加。借助多輸入/多輸出(MIMO)和載波聚合方法，更高的數(shù)據(jù)速率成為可能。蜂窩、Wi-Fi、藍(lán)牙、衛(wèi)星通信和汽車應(yīng)用的多通道RF收發(fā)器需要定制的RF信號(hào)路徑設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)針對(duì)封裝設(shè)計(jì)中的載波頻率和帶寬要求進(jìn)行了性能優(yōu)化。準(zhǔn)確而高效的RF生產(chǎn)測(cè)試需要互補(bǔ)的測(cè)試技術(shù)，如自動(dòng)測(cè)試設(shè)備、晶圓探針和封裝處理器，最重要的是，需要精心設(shè)計(jì)的測(cè)試硬件/探針卡和負(fù)載板和插座設(shè)計(jì)。”
所有這些都需要符合芯片的成本預(yù)算。“測(cè)試射頻/模擬封裝的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于生產(chǎn)應(yīng)用開發(fā)，以最低成本優(yōu)化生產(chǎn)吞吐量，”Pancholi說。“權(quán)衡包括射頻信號(hào)路徑、數(shù)字信號(hào)路徑、電源和時(shí)鐘路由、最大并行性、封裝處理等。每個(gè)射頻頻段FR1（低于8GHz）、FR2、FR3（毫米波）、~60GHz、~80GHz等的考慮因素都是獨(dú)一無二的。”
3D-IC將帶來其他測(cè)試?yán)щy。這些結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性可能導(dǎo)致信號(hào)完整性問題，包括信號(hào)丟失、延遲和層間串?dāng)_。高頻測(cè)試和高級(jí)建模對(duì)于預(yù)測(cè)和緩解這些問題是必不可少的。
“鑒于3D-IC的分層特性，必須在各個(gè)集成級(jí)別進(jìn)行電氣測(cè)試，”UMC的Cheng說道。“這包括在粘合之前測(cè)試各個(gè)層，以及測(cè)試整個(gè)組件是否存在空隙、分層和其他可能影響連接性和設(shè)備可靠性的缺陷。這種多級(jí)測(cè)試使測(cè)試過程變得復(fù)雜，需要復(fù)雜的測(cè)試策略和設(shè)備。”
封裝內(nèi)的隔離技術(shù)
屏蔽和隔離技術(shù)對(duì)于防止干擾和確保集成射頻和模擬系統(tǒng)中的信號(hào)完整性至關(guān)重要。
先進(jìn)的封裝現(xiàn)在在敏感的射頻信號(hào)跡線周圍加入了接地屏蔽，以防止數(shù)字元件的電磁干擾(EMI)。這涉及用接地的導(dǎo)電材料包圍敏感的射頻信號(hào)跡線，形成一個(gè)屏蔽層，阻擋來自數(shù)字元件的外部噪聲。接地屏蔽層充當(dāng)屏障，吸收和轉(zhuǎn)移遠(yuǎn)離射頻跡線的雜散電磁信號(hào)。
接地屏蔽是一種精準(zhǔn)且有針對(duì)性的方法，有助于減輕附近數(shù)字噪聲對(duì)單個(gè)射頻走線的影響，而隔間屏蔽則在半導(dǎo)體封裝內(nèi)創(chuàng)建物理屏障，以隔離整個(gè)功能塊或區(qū)域。這些屏障通常由金屬壁或溝槽制成，將射頻、模擬和數(shù)字域分隔開來，防止它們之間發(fā)生串?dāng)_和干擾。
Pancholi表示：“主要的信號(hào)路徑隔離技術(shù)是將信號(hào)走線四周用地線包圍起來。封裝內(nèi)的隔間屏蔽、插座設(shè)計(jì)和測(cè)試裝置都采用相同的原理來將信號(hào)與干擾信號(hào)或雜散信號(hào)隔離開來。”
先進(jìn)的仿真工具對(duì)于半導(dǎo)體封裝內(nèi)隔離技術(shù)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化必不可少。這些工具使工程師能夠?qū)Ψ庋b內(nèi)的電磁相互作用進(jìn)行建模，從而讓他們能夠在制造之前預(yù)測(cè)和緩解潛在的干擾問題。通過模擬各種設(shè)計(jì)場(chǎng)景，工程師可以優(yōu)化布局和屏蔽策略，以增強(qiáng)隔離性能。先進(jìn)的仿真有助于微調(diào)接地屏蔽、隔間屏障和其他隔離技術(shù)的放置，確保集成的射頻和模擬功能在實(shí)際條件下可靠地運(yùn)行。
“協(xié)同設(shè)計(jì)和仿真能力對(duì)于檢查隔離和屏蔽性能至關(guān)重要，”Hwang說道。“采用溝槽隔離、導(dǎo)線屏蔽和使用金屬芯片等技術(shù)來增強(qiáng)封裝內(nèi)的隔離。這些措施有助于減輕數(shù)字噪聲對(duì)敏感射頻信號(hào)的影響，確?？煽康男阅?。
還采用其他方法（例如溝槽和導(dǎo)線屏蔽）在半導(dǎo)體封裝內(nèi)提供額外的隔離。溝槽隔離涉及創(chuàng)建填充有絕緣材料的深溝槽以分隔不同的功能區(qū)域。此方法通過物理隔離敏感元件，特別有效地防止串?dāng)_并確保信號(hào)完整性。另一方面，導(dǎo)線屏蔽使用導(dǎo)電導(dǎo)線在敏感RF元件周圍創(chuàng)建EMI屏蔽。這些導(dǎo)線充當(dāng)屏障，將電磁干擾從關(guān)鍵信號(hào)路徑轉(zhuǎn)移開。
熱管理
熱管理是混合信號(hào)IC封裝中的一個(gè)重大挑戰(zhàn)，特別是對(duì)于功率放大器和數(shù)字核心等高功率射頻組件而言。
“一個(gè)典型的例子是射頻功率放大器，其工作效率在10%到45%之間，這意味著超過一半的功率都以熱量的形式耗散了，”楊說。“如果不能有效地去除熱量，設(shè)備的結(jié)溫可能會(huì)超過安全限值，從而導(dǎo)致故障。”
嵌入式冷卻解決方案（例如微流體通道）可以主動(dòng)管理高功率組件產(chǎn)生的熱量。封裝內(nèi)的專用散熱器和散熱器也有助于有效散熱，確保組件在安全的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。但熱問題在3D-IC中仍然存在問題，因?yàn)闊崃靠赡鼙焕г诓煌慕饘賹又g。對(duì)于異構(gòu)設(shè)計(jì)尤其如此，在異構(gòu)設(shè)計(jì)中，正確放置不同的邏輯和內(nèi)存芯片需要深入了解芯片的使用方式，包括使用真實(shí)工作負(fù)載模擬對(duì)不同的邏輯和內(nèi)存元素進(jìn)行分區(qū)和優(yōu)先級(jí)排序。
“3D-IC堆疊了多層有源電子元件，這會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的熱累積，”Cheng說道。“測(cè)試必須包括熱分析，以確保熱量不會(huì)降低性能或?qū)е驴煽啃詥栴}。熱管理策略可能涉及被動(dòng)和主動(dòng)冷卻技術(shù)。”
其他人也提出了類似的擔(dān)憂。“熱管理策略應(yīng)該在封裝層面進(jìn)行模擬，”Hwang補(bǔ)充道。“金屬TIM（熱界面材料）等材料可以支持更好的熱性能。”
除了先進(jìn)的TIM和散熱器外，氮化鎵(GaN)等創(chuàng)新材料也被用于提高性能和熱管理。“GaN的熱導(dǎo)率明顯高于硅，使其成為高功率RF應(yīng)用的首選材料，”Yang補(bǔ)充道，“GaN可以處理更高的功率水平并提供更好的熱性能，這對(duì)于5G基站和雷達(dá)系統(tǒng)等應(yīng)用至關(guān)重要。”
散熱器和散熱器等被動(dòng)冷卻解決方案對(duì)于管理高功率射頻組件的熱負(fù)荷也至關(guān)重要。這些組件必須設(shè)計(jì)為最大限度地散熱，保持半導(dǎo)體器件的整體可靠性和性能。主動(dòng)冷卻技術(shù)（包括使用微流體通道）通過主動(dòng)將熱量從熱點(diǎn)中帶走來提供額外的熱管理。
總體而言，解決先進(jìn)封裝中的熱挑戰(zhàn)需要結(jié)合材料創(chuàng)新、精確的熱模擬以及被動(dòng)和主動(dòng)冷卻策略的實(shí)施。這些措施對(duì)于在日益復(fù)雜和功率密集的半導(dǎo)體環(huán)境中保持射頻和模擬元件的性能和壽命至關(guān)重要。
結(jié)論
在先進(jìn)的半導(dǎo)體封裝中集成RF和模擬功能對(duì)于提高智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、雷達(dá)系統(tǒng)和5G基站等應(yīng)用的性能至關(guān)重要。這種集成推動(dòng)了對(duì)FOWLP和TSV等創(chuàng)新封裝技術(shù)的需求，這些技術(shù)通過減少信號(hào)損耗和提高小型化程度來提高性能。向異構(gòu)集成（包括SiP和小芯片）的轉(zhuǎn)變提供了靈活性和效率，允許將RF、模擬、數(shù)字和內(nèi)存功能組合到一個(gè)封裝中。然而，測(cè)試這些復(fù)雜的封裝帶來了巨大的挑戰(zhàn)，需要復(fù)雜的工具和方法來確保準(zhǔn)確、高效的RF生產(chǎn)測(cè)試。
解決射頻和模擬功能的集成需要克服隔離、測(cè)試和熱管理方面的重大挑戰(zhàn)，而封裝技術(shù)和材料的不斷進(jìn)步對(duì)于滿足對(duì)高性能、可靠半導(dǎo)體器件日益增長(zhǎng)的需求至關(guān)重要。
