Kompleksowy przegląd pakietów na poziomie wafla (WLP): technologia, integracja, rozwój i kluczowi gracze

Przegląd pakietów na poziomie wafla (WLP)

Pakiet na poziomie wafla (WLP) reprezentuje specjalistyczną technologię pakowania układów scalonych (IC), charakteryzującą się wykonaniem wszystkich krytycznych procesów pakowania, gdy wafele krzemowe pozostają nienaruszone — przed pocięciem na poszczególne układy. W swoich wczesnych projektach WLP wyraźnie wymagało, aby wszystkie połączenia wejścia/wyjścia (I/O) były całkowicie ograniczone w granicach fizycznych pojedynczej kostki (konfiguracja fan-in), osiągając prawdziwą strukturę pakietu w skali układu (CSP). To sekwencyjne przetwarzanie całego wafla stanowi podstawę fan-in WLP.

Z perspektywy integracji systemowej, główne ograniczenia tej architektury polegają na:

1. Pomieszczeniu wymaganej liczby połączeń I/O w ograniczonej przestrzeni pod kostką.
2. Zapewnieniu kompatybilności z późniejszymi projektami routingu płytek drukowanych (PCB).

Napędzane nieustannym zapotrzebowaniem na miniaturyzację, wyższe częstotliwości pracy i redukcję kosztów, WLP wyłoniło się jako realna alternatywa, gdy tradycyjne rozwiązania pakietowe (np. łączenie drutowe lub połączenia flip-chip) nie spełniają tych rygorystycznych wymagań.

Ewolucja do Fan-Out WLP
 

Krajobraz WLP rozszerzył się o innowacyjne rozwiązania pakietowe, które przeczą ograniczeniom standardowych struktur fan-in — obecnie klasyfikowanych jako fan-out WLP (FO-WLP). Kluczowy proces obejmuje:

1. Osadzanie kostek:Pojedyncze kostki są umieszczane w polimerze lub innym materiale podłoża o standardowym kształcie wafla, tworząc zrekonstruowany wafelek.
2. Rozszerzenie RDL:Sztuczny wafelek przechodzi identyczne procesy pakowania jak konwencjonalne wafele. Odstępy między kostkami są zaprojektowane tak, aby zachować obwodowe obszary podłoża, umożliwiając warstwy redystrybucji fan-out (RDL), które rozszerzają połączenia elektryczne poza oryginalny ślad kostki.

To przełomowe rozwiązanie pozwala zminiaturyzowanym kostkom zachować kompatybilność ze standardowymi rastrami ball-grid-array (BGA) WLP bez fizycznego powiększania. W konsekwencji, zastosowanie WLP rozciąga się teraz poza monolityczne wafele krzemowe, obejmując hybrydowe podłoża na poziomie wafla, zbiorczo skategoryzowane w ramach WLP.

Wraz z wprowadzeniem przelotowych otworów krzemowych (TSV), zintegrowanych urządzeń pasywnych (IPD), technik fan-out chip-first/chip-last, pakowania MEMS/czujników i heterogenicznej integracji procesor-pamięć, różnorodne architektury WLP osiągnęły komercjalizację. Jak pokazano na rysunku 1, spektrum obejmuje:

• Pakiety w skali układu na poziomie wafla o niskiej liczbie I/O (WLCSP)
• Rozwiązania fan-out o wysokiej gęstości I/O i wysokiej złożoności

Te postępy otworzyły nowe wymiary w pakowaniu na poziomie wafla.

Rysunek 1 Heterogeniczna integracja z wykorzystaniem WLP

I. Pakiety w skali układu na poziomie wafla (WLCSP)
 

WLCSP pojawiło się około 2000 roku, początkowo ograniczone do pakowania pojedynczych kostek. Ze względu na swoją inherentną konstrukcję, WLCSP oferuje ograniczone możliwości integracji wielu komponentów. Rysunek 2 przedstawia podstawową strukturę WLCSP z pojedynczą kostką.

Rysunek 2 Podstawowy tryb pojedynczy

Kontekst historyczny

Przed WLCSP, większość procesów pakowania (np. szlifowanie, cięcie, łączenie drutowe) była mechaniczna i wykonywana po cięciu (rysunek 3).

Rysunek 3 Tradycyjny przepływ procesu pakowania

WLCSP ewoluowało naturalnie z wypukłości wafla — praktyki, którą IBM zapoczątkowało w latach 60. XX wieku. Kluczowa różnica polega na użyciu kulek lutowniczych o większym rastrze w porównaniu do tradycyjnego wypuklania. W przeciwieństwie do konwencjonalnego pakowania, prawie wszystkie procesy WLCSP są wykonywane równolegle na całym waflu (rysunek 4).

Rysunek 4 Przepływ procesu pakietu w skali układu na poziomie wafla (WLCSP)

Postępy i wyzwania

1. Miniaturyzacja:Podejście direct-die-as-package WLCSP daje najmniejszy komercyjnie opłacalny współczynnik kształtu, szeroko stosowany w kompaktowych urządzeniach mobilnych.
2. Integracja RDL:Wczesne wersje opierały się wyłącznie na metalizacji pod wypukłością (UBM) i kulkach lutowniczych. Rosnąca złożoność wymagała warstw redystrybucji (RDL), aby oddzielić rozmieszczenie kulek od padów połączeniowych, zwiększając zawiłość strukturalną.
3. Integracja heterogeniczna:Innowacje umożliwiły układanie w stylu "opossum" — cienka, wtórna kostka połączona metodą flip-chip pod kostką pierwotną, precyzyjnie dopasowana w szczelinach kulek lutowniczych (rysunek 5).

Rysunek 5 WLCSP, druga forma jest instalowana po dolnej stronie

Integracja 3D za pośrednictwem TSV

Pojawienie się przelotowych otworów krzemowych (TSV) ułatwiło dwustronne połączenia w WLCSP. Podczas gdy integracja TSV wykorzystuje podejścia "via-first" i "via-last", WLCSP przyjmuje metodologię "via-last". Pozwala to na:

• Montaż wtórnych kostek (np. kostek logicznych/analogowych na MEMS lub odwrotnie) po stronie górnej (rysunek 6).

Rysunek 6 WLCSP Przelotowe otwory krzemowe Montaż dwustronny

• Zastąpienie pakowania chip-on-board (COB) w samochodowych czujnikach obrazu CMOS (np. 5,82 mm × 5,22 mm, pakiety BSI o grubości 850 μm z TSV o współczynniku kształtu 3:1, zawartość krzemu 99,27%) (rysunek 7).

Rysunek 7 (a) Widok trójwymiarowy struktury CIS-WLCSP; (b) Przekrój poprzeczny CIS-WLCSP.

Niezawodność i dynamika branży

Wraz ze zmniejszaniem się węzłów procesowych i wzrostem wymiarów WLCSP, wyzwania związane z niezawodnością i interakcją układ-pakiet (CPI) nasilają się — obejmując produkcję, obsługę i montaż PCB.

• Ochrona sześciostronna (6S): Rozwiązania takie jak fan-in M-Series (licencjonowane od Deca Technologies) odpowiadają na potrzeby ochrony ścian bocznych.

• Łańcuch dostaw: Zdominowany przez OSAT (ASE/SPIL, Amkor, JCET), z odlewniami (TSMC, Samsung) i IDM (TI, NXP, STMicroelectronics) odgrywającymi kluczową rolę.

Jako wyspecjalizowany dostawca rozwiązań pakowania na poziomie wafla, ZMSH oferuje zaawansowane technologie WLP, w tym konfiguracje fan-in i fan-out, aby sprostać rosnącym wymaganiom zastosowań półprzewodnikowych. Zapewniamy kompleksowe usługi od projektu po produkcję seryjną, z doświadczeniem w zakresie połączeń o dużej gęstości i heterogenicznej integracji dla MEMS, czujników i urządzeń IoT. Nasze rozwiązania odpowiadają na kluczowe wyzwania branżowe w zakresie miniaturyzacji i optymalizacji wydajności, pomagając klientom przyspieszyć cykle rozwoju produktów. Dzięki bogatemu doświadczeniu w wypuklaniu, formowaniu RDL i końcowych testach, dostarczamy niezawodne, opłacalne rozwiązania pakietowe dostosowane do specyficznych wymagań aplikacji.