封装技术在5G时代的创新与应用.pdf
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1、40卷第11期2023年11月引用格式:张墅野,邵建航,何鹏封装技术在5G时代的创新与应用 J.微电子学与计算机,2 0 2 3,40(11):9-2 1 ZHANGSY,SHAO J H,HE P.Innovation and application of packaging technology in 5G eraJ.Microelectronics&Computer,2023,40(11):9-21.JDOI:10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0767摘要:5G时代的到来将通信系统的工作频段推入毫米波波段,这给毫米波器件的封装带来了挑战.5G系统需要将射频、模拟
2、、数字功能和无源器件以及其他系统组件集成在一个封装模块中,这个要求恰恰体现了异质异构集成的特征.在所有的异质异构集成解决方案中,2.5D/3D系统级封装(System in Package,SiP)因其高度集成化被视为解决5G系统封装的重要突破口.文章以SiP为切入口,着重介绍了未来5G封装发展重点的2.5D/3DSiP技术以及目前备受瞩目的Chiplet技术.基于5G毫米波器件的系统级封装解决方案,探讨了适用于毫米波器件封装的基板材料以及SiP所需的先进封装技术.最后,针对5G天线模块的封装,介绍了片上天线和封装天线两种解决方案.关键词:5G器件封装;系统级封装;先进封装;封装基板;扇出晶圆
3、级封装;片上天线技术;封装天线技术中图分类号:TN305.94文章编号:10 0 0-7 18 0(2 0 2 3)11-0 0 0 9-13Innovation and application of packaging technology in 5G eraZHANG Shuye,SHAO Jianhang,HE Peng(School of Material Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)Abstract:The advent of the 5G era pushed
4、the working frequency band of communication systems into the millimeterwave band,which brings challenges to the packaging of millimeter wave devices.The requirement for 5G systems tointegrate RF,analog,digital functions and passive components and other system components in a single package moduleref
5、lects the characteristics of heterogeneous integration,Among all heterogeneous integrated solutions,2.5D/3D system-in-package(SiP)is considered as a breakthrough to solve 5G system packaging because of its high integration.Taking SiP asthe entry point,the review focuses on the 2.5D/3D SiP technology
6、 and the Chiplet technology,which has attracted muchattention.Based on the system-in-package solution for 5G mm wave devices,the substrate materials suitable for mm wavedevice packaging and the advanced packaging technologies required for SiP were discussed.In addition,the review alsointroduced two
7、solutions:on-chip antenna and packaged antenna for the packaging of 5G antenna modules.Key words:5G device packaging;system in package;advanced packaging;package substrate;fan-out wafer levelpackage;antenna on chip;antenna in package微电子学与计算机http:/MICROELECTRONICS&COMPUTER封装技术在5G时代的创新与应用张墅野,邵建航,何?鹏(哈
8、尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨150 0 0 1)文献标识码:AVol.40No.11November 2023LTE)相比,在数据传输速率、容量、延迟、带宽等性1引言能指标上都有了大幅度的提升.根据第三代合作伙伴5G 与4G 和长期演进技术(Long Term Evolution,组织(Third Generation Partner Organization,3GPP)给收稿日期:2 0 2 2-11-2 2;修回日期:2 0 2 3-10-11基金项目:国家重点研发计划项目(2 0 2 0 YFE0205304);中央高校基本科研业务费专项(AUGA5710051221);黑龙江
9、省自然科学基金项目(YQ2022E024);重庆市自然科学基金项目(cstc2021jcyj-msxmX1002);中国科学院硅器件技术重点实验室开放基金项目(KLSDTJJ2022-5)10出的规范,5G 主要有两个频段,即 FR1(4506 000 MHz)和FR2(2425052600MHz).5G的出现将通信系统的工作频率推人了太赫兹波段.毫米波频率范围内的工作需求,给5G通信器件的封装带来了一系列的挑战.5G系统的封装需要将射频、模拟、数字功能和无源器件以及其他系统组件集成在一个模块中.然而,使用系统级芯片技术(Systemof Chip,SoC)来实现5G器件的封装是十分困难的,因
10、为逻辑、内存、I/O、R F等模块很难在单一制程中实现 l.并且基于SoC技术的无源器件Q值非常低,这会增加高频下器件的损耗,克服这一问题的办法就是使用封装技术将异质材料的无源器件集成在靠近有源器件的位置上 2 .由此可见,5G器件的封装要求十分符合异质异构集成的特征.除小型化要求外,5G芯片信号频率增加所带来的传输损失以及发热量大的问题也不容忽视,这些问题不仅需要从封装结构层面解决,也需要对封装材料以及封装布线、互连等做出规范.此外,5G无线通信系统需要更高集成度的无线电解决方案,包括先进的相控阵雷达天线和收发器前端技术以支持高辐射功率和大的信噪比以及波束成形、宽范围的仰角和方位角扫描 3-
11、4.由于天线元件的尺寸和间距以及波长有关,与4G的离散天线不同,在5G封装中封装集成天线成为了可能.实现毫米波天线阵列有多种选择,而具体的技术方案还需要根据需求进行权衡.本文针对5G时代的毫米波器件封装存在的一系列问题,将首先介绍可用于解决5G及后代毫米波通信芯片封装问题的异质异构集成技术,随后将对用于毫米波大功率器件封装的基板材料以及互连方案进行探讨,最后介绍毫米波器件天线阵列封装的两种技术方案.2异质异构集成技术毫米波异质异构集成技术可将基于GaAs、G a N等新型半导体材料的高性能毫米波有源器件以及射频(RadioFrequency,RF)微电子机械系统(Micro-Electro-M
12、echanical System,MEMS)和无源器件、硅基电路模块通过异质生长或者异质键合等方式集成为一个具有完整功能的二维或者三维集成电路,充分发挥异种材料/异种结构器件的优势 5-6 .而想要通过SoC技术在一块芯片上实现上述全部模块的功能无疑是十分困难的,且毫米波 SoC芯片的高损耗问题也不可忽视.目前的手机厂商为了减小器件尺寸纷纷尝毫米波SoC的设计,如华为、联发科等企业均已实现5G和6 GHz以下SoC芯片的设计.然而对于5G高微电子学与计算机频段以及未来6 G而言,SoC的发展难上加难.而异质异构集成技术下的系统级封装(System in Package,SiP)则被认为是解决5
13、G毫米波器件封装的最佳解决方案从原理上看,目前的异质异构集成方法主要有异质外延生长、外延层转移、晶圆集成以及小芯片组装等,其中后面两种的实现难度较低,也更适应毫米波器件.在封装技术的发展方向.目前异质异构集成的实现方案上出现了SiP等先进封装形式,而实现方法上则具有传统的引线键合(Wire Bond)以及晶圆级封装(Wafer Lever Package)、倒装(Filp Chip)、凸点(Bumping)、2.5D 封装、3D封装等一系列先进封装技术.本节将对异质异构集成技术路线下的SiP封装进行详细介绍,并对基于小芯片技术(Chiplet)的 SiP封装进行论述.而封装技术相关的内容则会放
14、到后续章节.2.1系统级封装(SiP)2.1.1SiP 概述在这里首先要搞清楚SiP在封装中的层次.从微系统的集成方式上来看,微系统的实现方式主要有 SoC、Si P 以及封装系统(System of Package,SoP).SoC是基于单片的集成,SiP是基于多芯片的封装集成,而SoP则是基于封装的系统集成.三者的层次是由低到高的,也就是说,在 SiP中可以出现 SoC集成的芯片,在SoP中也会包含多个SiP器件.我们可以认为,SiP是处在芯片与整机系统间的功能器件的封装.SiP是将多个具有不同功能的有源电子器件和可以选择的无源器件,以及诸如MEMS或者光学器件等其他的器件,组装为可以提供
15、多种功能的单个标准封装器件,形成一个系统或者子系统.SiP的封装特征与5G毫米波器件封装的要求十分相符.现在所说的SiP技术是在2 0 0 0 年左右出现的.各种SiP,尤其是射频部分,在移动领域被广泛应用.2.5D/3D形式的SiP封装被认为是未来发展的重点方向,因为这是后摩尔时代突破摩尔定律下器件尺寸的一个重要突破口.2.1.2SiP在5G器件中的应用趋势5G技术的发展,会将电子产业带入一个新的领域.由于5G技术的先进性,将会使电子产品的性能获得极大的提升.与此同时,人们也需要在这之中获得便利,即这些电子产品要具有较高的便携性.以手机为例,从最早的智能手机时代开始,每次发售的新手机都引人了
16、一些新的功能,比如双卡双待、指纹识别、2023年第11期多摄像头、移动支付、人脸识别等新功能,这些都增加了手机的耗电量.但是以现有的技术,大幅度增加锂电池的电量密度是难以实现的.这就要求系统级封装和模组化技术的发展,以此来实现手机的外观轻薄和减小功耗.SiP从封装和组装为切人点,以高精度的表面贴装技术(Surface Mounted Technology,SMT)和先进封装技术,将若干裸芯片和微型的无源器件进行高度的集成化,并成为微型化的高性能组件(8.成熟运用SiP技术可以加快5G技术的研发过程,也可以极大程度上简化电子产品的制造流程,为人们的生活带来更多便利.未来满足5G器件的功能性、小型
17、化、可靠性以及成本效益要求,根据Inan Ndip等人的总结,SiP的架构以及封装材料和互连必须满足以下要求 2 :(1)性能需求.如电磁兼容性、信号完整性、电源完整性、高增益的天线阵列、高品质因数的无源器件.(2)可靠性要求.5G器件的SiP结构必须充分考虑到散热性能以及热稳定性,并且要尽可能杜绝正常使用过程中的热机械可靠性问题.(3)小型化要求.SiP必须能够使未来的5G器件小型化,从而能够达到随时集成到其他组件/模块上的目的.(4)成本要求.在满足使用要求的前提下,SiP应该尽可能降低成本,对于上述几个问题,除了从封装材料以及组装方法上着手,从工艺和结构上进行考虑也是必要的.例如,在工艺
18、上可以利用面板级封装工艺制作SiP,同时制作数百个5G模块,分摊成本,从结构方面考虑,为了满足5G器件小型化要求以及高性能的要求就必须使SiP脱离传统的二维层面,逐渐向着2.5DSiP,特别是3DSiP的方向进发.此外较为先进的双面SiP也在5G及之后的高频毫米波器件的封装中得到了用武之地,双面SiP不需要使用中介层(interposer)来实现SiP,从而能够在保证小型化和提高集成度的同时降低成本例2.1.32.5D SiP 与 3D SiP在后摩尔时代,垂直堆叠封装被视为延续摩尔定律的重要举措,多芯片垂直堆叠常见的就是2.5D和3D封装.封装技术的逐渐发展使得芯片的封装形式由传统的单芯片封
19、装发展至2 D多芯片封装.但是随着对封装密度需求的进一步增加,想要再提升封装密度就必须在垂直方向上下功夫.硅通孔(Through张墅野,等:封装技术在5G时代的创新与应用ChiplMicrobumpsC4BGAUFTSV图12.5DSiP和3DSiP的封装结构示意图L0)Fig.1 Schematic diagram of package structure of2.5D SiP and 3D Sipli0)2.5D封装一般要借助硅中介层(SiliconInter-poser),裸片(Die)被平行放置在中介层的顶部,中介层充当芯片与基板的桥梁,能够为系统提供更多的I/O宽带 中介层是一种由硅
20、和有机材料组成的硅基板,它承担着传递电信号的作用,是裸片与印刷电路板(PCB)之间的桥梁.裸片一般是通过微凸块(Microbumps)与中介层的布线层连接,而中介层则通过锡球与下层基板相连.中介层的上下导通则一般通过TSV等手段实现.3D封装则是将具有TSV结构的裸片垂直堆叠从而实现纵向的集成.3D封装的裸片通过微凸块甚至无凸块相连,由于TSV沿着芯片垂直方向以最短的路径传输信号,因此,3D封装能够实现更快的信号传输和更高的带宽与2.5D封装相比,3D封装不需要使用中介层,减小了成本,且具有更高的集成度,满足5G器件集成的小型化和降低成本的要求,是一个极佳的解决方案.尽管3D封装可以被认为是最
21、先进的IC封装形式,但它存在严重的可靠性和测试问题,且对于大功率的5G器件来说该问题尤为突出,芯片和互连密度较高的有限暴露区域加剧了散热和机械可靠性问题.此外,可靠性测试方法的缺乏是另一个需要克服的挑战2 1.目前也有很多学者针对3D封装的可靠性问题进行研究.例如,Lian等人 13 应用模拟方法对3DSiP结构直流电阻和寄生电感进行电学比较,对Theta-JA进行热比较,并对3DSiP封装结构进行翘曲比较.此11SiliconVia,TSV)技术的出现使芯片的垂直堆叠成为了可能,由此诞生了2.5D和3D封装技术.严格来说,只有3D封装实现了多芯片在垂直方向上的堆叠,而2.5D封装使将多个芯片
22、平行排列在中介层上,因其封装密度大于传统2 D封装但小于3D封装,特将其称为2.5D封装.图1为2.5D和3 D封装结构示意图.TSVPackage substrate(a)2.5D SiPChip2Packagesubstrate(b)3D SiPChip2SiinterposerDie todiemicrobumpsChip1Cu pillar bump-BGAChiplUF12外,他们还建立了典型的可靠性测试(温度循环测试、高温储存寿命测试、无偏高加速应力测试),以验证3DSiP结构在未来物联网/可穿戴和5G设备应用中的应用.他们的工作完成了封装级的可靠性测试项目,并且展示了3DSiP架
23、构的可行性应用.需要声明的是,即使3D较2.5D封装更能满足小型化和成本要求,但是由于2.5D的可靠性很高,更适用于大批量制造.究竞选择哪一种形式还要根据具体需求进行权衡.可预见的是,未来5G及后代毫米波器件的封装必是以3D形式为主.2.1.4双面 SiP在5G低于6 GHz器件封装的方案中,较先进的双面SiP获得运用.与普通单面 SiP相比,双面SiP可以进一步提高系统的集成度,减小封装尺寸,并提高系统性能.双面SiP是一种热封装解决方案,采用了双面SMT和双面成型来缩小整个模块的尺寸.双面SiP简化了PKGI/O计数,提高了电源效率,减小了噪声排放.从电集成的角度来看,双面SiP由于较短的
24、信号传输路径可以获得比其他并排倒装芯片SiP结构更好的电性能;从热性能来看,高热解决方案可提高2 4%38%4.双面SiP模块可以为5G封装提供一种先进的解决方案,以解决5G器件的性能、可靠性、尺寸和成本的需求.双面 SiP模型与单面模型相比,可以允许在一个小的模型上面出现更多模块,其固然增大了封装空间的利用率,但是由于散热路径的重叠,其散热性能是不得忽视的一个问题.针对双面SiP结构的散热问题,Chen等人15 使用红外相机和热电偶分析与比较了单/双面 SiP模块的热性能.为了改善双面 SiP的散热,该团队设计了以下几个措施:(1)单面封装用焊球连接PCB,而双面封装用铜球连接,由于铜的导热
25、系数高于焊料,因此,它可以帮助快速传热;(2)暴露模具,即高温不应包裹在聚合物材料中,且把填充物(Underfill)放在模块和PCB之间的间隙中;(3)另一个重要的改进是PCB设计的替代.增加PCB上的散热孔和散热路径,增加PCB的铜含量.如此以来,经改进后的双面SiP散热得到了改善,且接近于单面 SiP.此外,他们建立的利用模拟的方法进行了相同的测试,图2 为该团队建立的单面SiP和双面SiP的模型.模拟结果与试验结果最大误差在8.4%以内,且模拟结果表明,当基板增加了更多的铜后,热性能大大改善,并且在模块与 PCB间填充 Underfill 后,模块与基板间形成了流畅的热路径.微电子学与
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