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先进半导体封装概述

作者节奏PCB解决方案

土地阵列

30-40年前，半导体封装缺乏某种优雅。年轻的工程师熟悉他们在实验室课上使用的DIP包，但这种风格以前是大多数组件使用的标准包装。一旦SMD封装成为主流，标准的组装工艺能够提供所需的质量和良率，SMD组件的半导体封装已经见证了持续的创新，并持续到今天。

半导体的先进封装关注于扩展功能的各种方法，甚至已经朝着模块化芯片封装设计的方向发展。除了先进的半导体处理能力，现代芯片封装还通过构建三维芯片将更多的功能封装到更小的空间中。

先进半导体封装的类型

今天，封装有许多品种，从传统的单模芯片或带线键合的倒装芯片，到以模块化方式集成多个芯片组的先进产品。在过去的三十年里，设计工具已经可以用来构建各种各样的封装结构，但直到最近，这些工具才被大规模用于设计先进的asic、处理器和高度集成的soc /口．

除了将更多功能打包到更小设备的市场压力之外，这种趋势还受到异构集成概念的推动。该概念甚至在IEEE电子封装学会(EPS)异构集成路线图中得到了概述。在这种封装方法中，设计人员将多个可能由不同供应商提供的组件组合成一个单独的封装，并将其置于基板之上并相互连接结构。

插入器+衬底

使高级封装成为可能的基本部件是中间层。这些薄的基材提供了一个基础，其中每个模具将被放置，以及微小的互连连接到主包装基材。在这些高级封装中使用的中间体由三种可能的材料组成:

  • 硅，它使用透硅通孔(TSVs)与封装基板形成连接
  • 一种有机物质，有时称为有机再分配层(RDL)
  • 玻璃，它已成为一些最新的先进产品的理想材料

硅插入器

虽然玻璃被认为是非常有用的宽带异构集成产品运行在非常高的频率(约100ghz)，硅有一个额外的好处作为中间介质。硅中间体可以是有源的，这意味着它们是器件结构的一部分，可以包含内置在中间体中的电路。

如果你仔细想想，中间插片执行的功能与PCB类似。即使interposer像PCB一样是平面的，并且它使用垂直互连在层与层之间通过，大多数PCB和IC设计工具都不能执行构建interposer所需的必要设计和分析任务。

flipchip, 2.5D集成和3D集成

2.5D集成，以及后来的3D集成，都源于减少集成包装尺寸的愿望。这始于倒装芯片(见下面的概念图)，它可以直接连接到基板上或通过线键连接。要想将倒装芯片包缩小到更小的尺寸，就需要将模具并排放置(2.5D集成)，或者将模具放在彼此的顶部(3D集成)，这样就可以减小整个包的尺寸。

这种封装类型还在二维或三维的衬底+中间层结构上集成了多个模具或芯片。在2.5D中，整体结构垂直构建，但模具/芯片不是垂直堆叠的。在3D中，我们可以有相同的衬底+中间体，但可以在3D中堆叠一组模具。下图比较了这些包装类型。

异构集成

左:Flipchip包装的概念。中心:在interposer上的2.5D集成。正确的:interposer上的3D集成。

interposer在2.5D和3D集成包中起着两个重要作用:

  1. 通过将所有材料打包到一个单一的中间体+衬底系统中，互连在物理上更小。这意味着更低的寄生率和高速数据传输，更好的信号完整性。
  2. 中间体可以减少需要离开包的信号数量，因为更多的重要支持组件内置于包中。这意味着这些系统的布局可以简化，这取决于组件的设计方式。

这些因素并不总是能简化设计具有先进包装的组件的过程。相反，它将这种复杂性转移到包装设计师身上。取决于组件上可用的I/ o数LGA足迹因为这些包装仍然可以非常大，具有良好的沥青。在bga / lga中放置和路由的最佳实践的标准集仍然需要在PCB布局中实现。

Package-on-Package(流行)

包对包(PoP)的概念类似于一组堆叠的bga。使用BGA封装构造多个包，并垂直堆叠在连续的衬底层上。理论上，这允许将现有的包直接集成到另一个包之上，类似于将多个pcb堆叠在彼此之上。最低级别的球阵列被焊接到PCB上，并提供对封装的其余部分的访问。

Package-on-package结构

Package-on-package概念

System-in-Package (SIP)

这不是一个具体的包装结构，更多的是一种设计方法或包装设计类型。所有包中的系统(sip)都遵循一个特定的设计概念:包试图集成尽可能多的组件，以便包包含整个系统，通常是为特定的应用程序设计的。

以下任何元素都可以出现在高级组件的sip中:

  • 内存，包括高带宽内存
  • 射频或模拟接口
  • 电源管理模块
  • 一个或多个处理核
  • 针对特定应用的专用DSP模块

一些较新的组件被设计为具有高级可重构逻辑的sip或soc，这意味着在包中实现了FPGA协处理器。这为组件设计人员根据最终产品定制SIP提供了极大的灵活性，同时也为产品部署到现场后的可重构性创建了一个警告。

系统包

最后，有时在片上系统(SoC)和SIP之间是有区别的。一个SoC仍然是一个SIP，但它只作为一个单一的芯片存在，它不能被设计为interposer。因此，您可能会看到一些SoC产品放置在传统包装或集成包装与中间介质和基板。sip还提供soc中所见的集成，但它们使用上面概述的多个组件实现集成类型。

无论您的组件使用什么类型的先进半导体封装，您都可以将这些组件与完整的工具集一起放置和路由到物理布局中快板PCB设计者从节奏．只有Cadence是最好的PCB设计和分析软件其中包括行业标准的CAD工具、强大的路由功能等等。

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