表面貼裝技術(shù) （SMT） 的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了其作為將封裝芯片組裝到?jīng)]有通孔的印刷電路板上的方式。它現(xiàn)在正在內(nèi)部封裝，這些封裝本身將安裝在 PCB 上。

　　但是用于高級(jí)封裝的 SMT 與我們已經(jīng)習(xí)慣的 SMT 不同。

　　Synopsys產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān) Kenneth Larsen 表示：“許多系統(tǒng)包含多個(gè)ASIC、大量?jī)?nèi)存，并且這些都集成在一個(gè)非常小的空間內(nèi)?！边@幾乎就像你把整個(gè) PCB 壓縮成一個(gè)非常小的外形?！?/p>

　　高級(jí)封裝使用中介層或其他基板來(lái)安裝芯片。這些中介層就像迷你 PCB，雖然由不同的材料制成。但是，金屬化再分布層 （RDL） 的尺寸通常比 PCB 上使用的尺寸大得多，即使按照半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)它們很大。因此，必須同時(shí)從 PCB 端和半導(dǎo)體端提出想法，以確保良好的可制造性。

　　”有些公司更以 PCB 為中心，從封裝 PCB 方面著手，但也有其他更以芯片為中心的公司，他們從芯片方面來(lái)看，“產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān) Marc Swinnen 說(shuō)。Ansys 的半導(dǎo)體?！比欢?，這兩個(gè)世界正在拉近，很多公司并沒(méi)有為此做好準(zhǔn)備。“

　　這導(dǎo)致芯片制造商陷入困境?！蹦愦蛩闶褂冒雽?dǎo)體晶圓廠的現(xiàn)代工具嗎？“ 泰瑞達(dá)設(shè)備接口總經(jīng)理 Steve Ledford 問(wèn)道。”或者您打算使用 PCB 和 SMT 制造人員的現(xiàn)代工具嗎？“

　　雖然先進(jìn)封裝并不新鮮，但它仍處于生產(chǎn)周期的早期，應(yīng)用往往有限。隨著成本的下降和更多的應(yīng)用程序使用這種封裝提供的更緊密的集成，更多的公司將能夠利用它。因此，退回到較高級(jí)別并在原始 SMT 和較新的變體之間獲得一些觀點(diǎn)可能會(huì)有所幫助。

　　CyberOptics總裁兼首席執(zhí)行官 Subodh Kulkarni 表示：”在堆疊現(xiàn)象和 SMT 之間，先進(jìn)封裝介于傳統(tǒng)前端和傳統(tǒng)后端之間?！斑@就是現(xiàn)在所有創(chuàng)新發(fā)生的地方。打開(kāi)任何現(xiàn)代設(shè)備，串在一起的高級(jí)封裝與 10 年前的電路板看起來(lái)大不相同?！?/p>

　　封裝內(nèi)插器的作用與 PCB 相同，可促進(jìn)安裝在其上的組件之間的連接。此外，它們提供最終將連接到凸塊和 PCB 的布線。PCB 制造所需的許多概念都在中介層上發(fā)揮作用，但只是微型的。包括計(jì)算、內(nèi)存，甚至模擬 I/O 在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)都可以組裝起來(lái)，然后作為一個(gè)封裝安裝在 PCB 上。

　　雖然這聽(tīng)起來(lái)像是將 PCB 按比例縮小以安裝到元 PCB 上，但這并不是那么容易。任何此類組裝過(guò)程都需要檢查和測(cè)試以確保質(zhì)量，但用于檢查和測(cè)試 PCB 的工具不一定適用于封裝級(jí)別。都是SMT，但是根據(jù)使用的材料和中介層特征的尺寸不同，需要不同的設(shè)備。

　　用于基板的材料

　　大批量商用 PCB 通常由 FR-4 制成，F(xiàn)R-4 是一種玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂組合，幾十年來(lái)一直是 PCB 的最愛(ài)。雖然它可以縮小用于小型夾層卡和其他小型電路板，但最小線間距以密耳為單位，而不是微米。最小間距通常在 5 或 6 密耳范圍內(nèi)（對(duì)于特殊應(yīng)用會(huì)稍微低一些），這意味著超過(guò) 100 微米。

　　圖1：由 FR-4 制成的典型 PCB。資料來(lái)源：Raimond Spekking / CC BY-SA 4.0（通過(guò)維基共享資源）

　　轉(zhuǎn)換為微米很有用，因?yàn)楦呒?jí)封裝基板可以支持以微米為單位的尺寸。所以馬上就會(huì)有一個(gè)數(shù)量級(jí)的立即收縮。它們?cè)谖⒚最I(lǐng)域的確切位置也取決于基板材料。

　　在描述封裝內(nèi)看起來(lái)像“迷你 PCB”的東西時(shí)，似乎使用了兩個(gè)詞。有時(shí)它們被簡(jiǎn)單地稱為基板，而有時(shí)它們被稱為中介層。似乎沒(méi)有正式的定義將基板與中介層區(qū)分開(kāi)來(lái)，但在此上下文中的常見(jiàn)用法似乎是將基板應(yīng)用于有機(jī)材料，將中介層應(yīng)用于無(wú)機(jī)材料。（從技術(shù)上講，中介層是基板。）

　　PCB 可能有很多層用于復(fù)雜的布線和屏蔽，但基板和中介層往往只有很少的層 - 可能只有一層，通常稱為再分布層 （RDL）。有機(jī)基板通常用于所謂的面板應(yīng)用中。這些類似于半導(dǎo)體，因?yàn)槎鄠€(gè)單元在被切割成單個(gè)單元之前被制造在一個(gè)大塊上。最大的區(qū)別在于，由于它們的制造方式，面板可以是矩形的，這意味著在切割它們時(shí)不會(huì)浪費(fèi)任何東西。該技術(shù)主要來(lái)源于顯示行業(yè)。

　　“為什么方形芯片在圓形晶圓上工作并不是因?yàn)榫A是適合方形物體的理想選擇，”Ledford 說(shuō)。“這是因?yàn)檫@就是拉硅錠的方式。” 因此，矩形中介層最終會(huì)從圓形晶圓中分離出來(lái)，這意味著邊緣會(huì)產(chǎn)生浪費(fèi)。

　　圖 2：晶圓強(qiáng)制將矩形擬合到圓形上，導(dǎo)致一些浪費(fèi)。面板以矩形開(kāi)始，以犧牲尺寸為代價(jià)更好地利用空間。資料來(lái)源：日月光

　　玻璃是另一個(gè)處于開(kāi)發(fā)早期階段的有前途的候選者。“玻璃既可以是圓形的，也可以是方形的，”萊德福德指出。玻璃基板也常被稱為中介層。

　　這就是 SMT 基板的三種基本變體：PCB、面板和中介層。它們具有顯著的成本和尺寸差異。

　　尺寸和制造

　　“一切都趨向于類似半導(dǎo)體的尺寸，”Ledford 說(shuō)?！斑@只是時(shí)間問(wèn)題。剛畢業(yè)的時(shí)候，主流的半導(dǎo)體都是1微米線寬。如果你看看現(xiàn)在先進(jìn)的封裝在哪里，它已經(jīng)非常接近 1 微米的線和空間。它只用了 30 年就達(dá)到了這一點(diǎn)?！?/p>

　　任何這些材料所需的尺寸都有兩個(gè)關(guān)鍵方面。首先，有最小間距。但同樣重要的是對(duì)這些維度的控制。

　　“測(cè)試和測(cè)量都是大約 50 Ω 受控阻抗，”Ledford 說(shuō)。“這意味著該生產(chǎn)線的制造商需要控制四分之一微米的尺寸。好吧，如果我去我的任何一家 PCB 商店交談，他們都沒(méi)有接近這種水平的尺寸控制?！?/p>

　　主要原因是化學(xué)：PCB 是使用濕化學(xué)制成的，這限制了尺寸和公差。“占主導(dǎo)地位的 PCB 和 [傳統(tǒng)] SMT 的濕化學(xué)工藝沒(méi)有您需要的尺寸控制，”Ledford 說(shuō)?！笆裁礃拥墓に嚳梢宰屇憧刂扑姆种晃⒚椎木€和空間？干法工藝——濺射、干法蝕刻等等，主要來(lái)自半導(dǎo)體領(lǐng)域?！?/p>

　　雖然可以在某種浴槽中同時(shí)處理多個(gè) PCB，但面板和晶片必須在它們的反應(yīng)室中單獨(dú)處理。這是與較小外形尺寸相關(guān)的主要成本之一。

　　Onto Innovation產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理 Woo Young Han 表示：“半導(dǎo)體制造商轉(zhuǎn)向面板級(jí)封裝的主要原因是系統(tǒng)級(jí)封裝 （SiP） 中的大芯片?！卑?CPU、GPU、DSP 和內(nèi)存在內(nèi)的多個(gè)芯片被封裝到一個(gè)單一的底座中，其結(jié)果比半導(dǎo)體行業(yè)中使用的傳統(tǒng)芯片尺寸大得多。SiP 芯片尺寸可以大到 100 毫米，因此在制造大型 SiP 芯片時(shí)，600 毫米矩形面板比 300 毫米圓形晶圓更好?！?/p>

　　硅中介層受晶圓尺寸的限制，因此它們對(duì)于集成具有更有限內(nèi)存的處理器更有用。小芯片也是集成到這些較小封裝中的候選者。

　　使用面板可以提供更大的芯片，但代價(jià)是您可以將線路或芯片放在一起的距離?！泵姘寮?jí)封裝可能有更大的 GPU 或 CPU，但不一定與小芯片非常接近，“布魯克白光干涉儀產(chǎn)品線經(jīng)理 Robert Cid 說(shuō)。

　　也就是說(shuō)，雖然人們可能希望面板成為晶圓級(jí)集成的中間地帶，但實(shí)際上可能會(huì)走另一條路。”對(duì)于那些想要進(jìn)行更多集成的公司，我認(rèn)為面板級(jí)封裝越來(lái)越成為一種可行的解決方案，“Cid 指出?！比绻A級(jí)封裝開(kāi)始轉(zhuǎn)向更大的基板，則可能進(jìn)一步降低封裝成本。“

　　PCB 與任何這些其他選項(xiàng)之間的主要功能區(qū)別在于可以管理的互連數(shù)量?！蹦悴皇窃谡?wù)搸讉€(gè) 40 微米的 I/O 焊盤，“Ledford 說(shuō)?！蹦阏f(shuō)的是數(shù)千個(gè) 40-?m I/O 焊盤?！?/p>

　　其他人同意。Synopsys 數(shù)字設(shè)計(jì)部門的硅生命周期管理營(yíng)銷總監(jiān) Randy Fish 指出：”你可以有數(shù)千個(gè)這樣的微凸點(diǎn)和非常密集的痕跡，“?！辈⑶夷軌驌碛腥哂嗷ミB是其中必不可少的一部分?！?/p>

　　檢查生產(chǎn)線

　　PCB 和先進(jìn)封裝之間的主要工藝差異之一在于檢查——尤其是在發(fā)現(xiàn)缺陷的地方進(jìn)行返工的能力。

　　”在典型的 PCB 檢測(cè)流程中，檢測(cè)模塊對(duì) PCB 進(jìn)行檢測(cè)，然后將 PCB 轉(zhuǎn)移到審查站進(jìn)行操作員審查——然后將其送到維修站修復(fù)發(fā)現(xiàn)的缺陷，“韓解釋說(shuō)?！痹诎雽?dǎo)體晶圓檢測(cè)領(lǐng)域，修復(fù)單個(gè)缺陷在前端和后端半導(dǎo)體工藝中都是不可想象的。“

　　人類仍然存在于 PCB 檢測(cè)領(lǐng)域。Ledford 說(shuō)：”由于 PCB 行業(yè)的歷史性質(zhì)，他們?nèi)匀豢吹皆S多操作員通過(guò)顯微鏡觀察的手動(dòng)檢查站。“

　　CyberOptics 的 Kulkarni 描述了他看到 DIMM 生產(chǎn)線末端時(shí)的驚訝。”有 20 人站在那個(gè)區(qū)域周圍，旁邊有白燈，“他說(shuō)。”他們實(shí)際上是從傳送帶上撿起每塊內(nèi)存板，并在將它們放入塑料袋之前目視檢查兩側(cè)?！?/p>

　　DIMM 進(jìn)行了最終的 I/O 測(cè)試，但插入時(shí)是熱的。半分鐘后，取出時(shí)，它們已經(jīng)明顯冷卻了，而且它們也沒(méi)有那么容易拉出來(lái)——有時(shí)會(huì)擾亂板上的記憶。”盡管 I/O 檢查看起來(lái)不錯(cuò)，但當(dāng)客戶拿到它時(shí)，情況并不好，“Kulkarni 解釋說(shuō)。

　　添加自動(dòng)最終檢查步驟現(xiàn)在允許干預(yù)任何需要返工的電路板，而無(wú)需人工檢查。

　　用于容納大型 CPU 或其他此類昂貴芯片的插槽是另一個(gè)例子。使用插槽是為了在電路板出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以輕松移除高價(jià)值芯片并將其移至新電路板，而不是隨電路板一起丟棄。

　　”在一個(gè) 3 × 3 英寸的正方形中，你有 10,000 個(gè)引腳，“Kulkarni 說(shuō)?！倍@些實(shí)際上是毛茸茸的小銅質(zhì)東西，它們會(huì)出來(lái)并彎曲，因?yàn)楸仨氂心撤N彈簧?！?/p>

　　這使得人類很難檢查它們?？梢暬ぞ呖梢栽俅问乖撨^(guò)程自動(dòng)化，從而提高結(jié)果和吞吐量。因此，PCB 檢測(cè)已經(jīng)朝著更高水平的自動(dòng)化方向發(fā)展。

　　但是在高級(jí)封裝內(nèi)移動(dòng)，信號(hào)的尺寸和數(shù)量使得手動(dòng)檢查完全不切實(shí)際。需要自動(dòng)化。然而，這些工具的工作方式在 PCB 與面板級(jí)和晶圓級(jí)組件之間有所不同。

　　”大芯片尺寸在 PCB 世界中很常見(jiàn)，傳統(tǒng)的 PCB 檢測(cè)工具使用基于 CAD 設(shè)計(jì)規(guī)則的方法，“Han 說(shuō)?！痹诎雽?dǎo)體領(lǐng)域，檢測(cè)工具旨在發(fā)現(xiàn)高度重復(fù)的芯片圖案上的小得多的缺陷，因此半導(dǎo)體領(lǐng)域的檢測(cè)工具使用黃金裸片或相鄰裸片比較方法。啜與半導(dǎo)體晶圓相比，裸片之間的裸片差異要大得多，而且 CAD 設(shè)計(jì)規(guī)則方法比黃金/相鄰裸片比較方法效果更好。這是傳統(tǒng) PCB 檢測(cè)工具的優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng) PCB 裸片設(shè)計(jì)相比，SiP 裸片的設(shè)計(jì)規(guī)則也小得多——小至 2 微米的走線寬度——并且需要亞微米缺陷檢測(cè)。然而，PCB 使用大于 10 ?m 的走線寬度，而傳統(tǒng)的 PCB 檢測(cè)工具不具備執(zhí)行亞微米缺陷檢測(cè)的光學(xué)分辨率。這是半導(dǎo)體晶圓檢測(cè)工具的一個(gè)優(yōu)勢(shì)?！?/p>

　　面板尺寸比內(nèi)插器尺寸稍大，但仍有可能使用半導(dǎo)體設(shè)備——數(shù)字放寬。”如果您的尺寸為 600 x 600 毫米，您需要確保整個(gè)面板的特征都在規(guī)格范圍內(nèi)，“Cid 說(shuō)?！边@可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。我們已經(jīng)看到客戶尋求加快計(jì)量的方法來(lái)調(diào)查更大的區(qū)域，以便在該面板投入生產(chǎn)之前評(píng)估該面板的質(zhì)量?！?/p>

　　盡管如此，假設(shè)面板和中介層有類似的檢查是錯(cuò)誤的?！蔽覀兛吹骄A級(jí)和面板級(jí)封裝的要求非常不同，“Cid 說(shuō)?！蔽覀冇袑ｉT為面板級(jí)封裝設(shè)計(jì)的工具，與我們?yōu)榫A級(jí)封裝設(shè)計(jì)的工具有不同的要求?！?/p>

　　也就是說(shuō)，這部分是面板滯后于中介層的情況?！蔽覀兟?tīng)到的路線圖討論表明，面板級(jí)處理要求將變得更加復(fù)雜，需要幾年后您對(duì)晶圓級(jí)封裝的一些嚴(yán)格計(jì)量，“Cid 說(shuō)。

　　因此，雖然自動(dòng)化和 AI 正在進(jìn)入 PCB 檢測(cè)領(lǐng)域，但這些技術(shù)對(duì)于高級(jí)封裝至關(guān)重要。

　　測(cè)試板、基板和中介層

　　測(cè)試匯集了完全不同的理念。傳統(tǒng)上，PCB 是使用釘床測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試的，這些測(cè)試儀可以快速驗(yàn)證板上的所有連接。但是每塊板都需要一個(gè)定制的夾具，這給測(cè)試開(kāi)發(fā)過(guò)程增加了摩擦。

　　JTAG 使這變得更容易一些，提供了一種將電路板上的所有組件鏈接在一起并測(cè)試它們的連接性的方法。這是JTAG最初的目標(biāo)，后來(lái)才擴(kuò)展了內(nèi)部芯片測(cè)試能力。因此原則上，可以使用單個(gè) JTAG 端口測(cè)試連接和功能。

　　相比之下，IC 使用內(nèi)部自測(cè)以及外部提供的向量，這些向量可能使用專用測(cè)試引腳或在測(cè)試模式下兼作測(cè)試訪問(wèn)引腳的其他引腳。與 PCB 測(cè)試的一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別在于，使用 IC 來(lái)測(cè)試功能。對(duì)于 PCB，主要是測(cè)試連接。假設(shè) PCB 上的 IC 可以根據(jù)它們作為制造流程的一部分進(jìn)行的個(gè)別測(cè)試工作。

　　高級(jí)封裝介于兩者之間，而確切的測(cè)試時(shí)間將對(duì)成本產(chǎn)生巨大影響。那是因?yàn)槿藗冋谑褂媒?jīng)過(guò)測(cè)試然后分離的裸片，將它們放置在基板或中介層上，而基板或中介層本身必須經(jīng)過(guò)測(cè)試以確保連接正常工作。

　　但是這些芯片在分離過(guò)程中是否被損壞了？基板/中介層組件是否需要單獨(dú)測(cè)試，包括連接性和功能性，以確保一切都在組裝過(guò)程中幸存下來(lái)？是否應(yīng)該在應(yīng)用芯片之前測(cè)試中介層，然后再測(cè)試？如果要測(cè)試整個(gè)事情，應(yīng)該在封裝之前還是之后進(jìn)行測(cè)試——還是兩者兼而有之？

　　部分挑戰(zhàn)是從未連接到外部連接的內(nèi)部連接數(shù)量?！焙芏噙@些內(nèi)部模具并不是用來(lái)與現(xiàn)實(shí)世界對(duì)話的，“Fish 指出?！彼械倪B接都是死對(duì)死的。“

　　這些問(wèn)題沒(méi)有可靠的答案。它會(huì)因應(yīng)用程序和伴隨的經(jīng)濟(jì)情況而異——更不用說(shuō)失敗的風(fēng)險(xiǎn)了。與那些故障后果僅限于制造商的煩惱或商譽(yù)損失的組件相比，安全關(guān)鍵組件需要更多的測(cè)試。

　　”如果有這樣的選擇，在某些情況下，人們確實(shí)希望能夠測(cè)試復(fù)雜封裝內(nèi)的芯片，“Fish 說(shuō)。”但對(duì)于低價(jià)或中等價(jià)位的產(chǎn)品，我認(rèn)為您無(wú)法再次測(cè)試每個(gè)芯片?！?/p>

　　如果對(duì)模具本身進(jìn)行測(cè)試，也會(huì)產(chǎn)生重要的實(shí)際影響?！比绻?gòu)買已知良好的模具，供應(yīng)商是否會(huì)給您他們的測(cè)試序列，以便您可以自己運(yùn)行？“ 魚問(wèn)。

　　至于實(shí)際測(cè)試，即使組件看起來(lái)像迷你 PCB，由于尺寸的原因，釘床方法是完全不切實(shí)際的。此類固定裝置中使用的彈簧針太大了。此外，每個(gè)芯片的定制夾具給工藝增加了不合理的負(fù)擔(dān)和成本。

　　JTAG 也可以在這里使用，盡管它的信號(hào)速度有限。USB 和 PCIe 也是用于專用測(cè)試訪問(wèn)端口的選項(xiàng)，可以加快單個(gè)芯片和高級(jí)封裝組件的測(cè)試。事實(shí)上，它也可以用于 PCB。

　　”我們正朝著高速專用 I/O 進(jìn)行測(cè)試，“Fish 說(shuō)?！蹦鷮⑽覀兊?IP 插入到您的芯片中，該芯片連接到控制器端的那些 I/O，然后連接到芯片上的測(cè)試基礎(chǔ)設(shè)施?！?/p>

　　結(jié)論

　　總而言之，必須使用主要來(lái)自半導(dǎo)體領(lǐng)域的技術(shù)來(lái)制造、檢查和測(cè)試高級(jí)封裝內(nèi)的表面貼裝器件。雖然許多想法可能起源于 PCB，但將 PCB 方法縮小到足夠低通常是不切實(shí)際的。

　　由于封裝是半導(dǎo)體制造過(guò)程的自然組成部分，因此先進(jìn)封裝承載了大部分半導(dǎo)體遺產(chǎn)也就不足為奇了。但是，將元件連接到基板表面的基本原理可以追溯到 PCB 世界。當(dāng)縮小到接近半導(dǎo)體的尺寸時(shí)，它看起來(lái)非常不同。