一文解析扇出型封装技术

作者：火龙果

引言

经过多年的发展和沉淀，半导体芯片封装技术已经越来越成熟，如今已有数百种封装类型。而在这数百种封装类型中，扇出型封装日益火热起来，其更被认为是延续和超越摩尔定律的关键技术方案。本文，请跟着小为一起了解一下扇出型封装技术吧。

1 扇出型（Fan-Out）封装市场分析

近年来，随着5G、AI和loT的普及，推动了手机、平板、电脑、汽车等多领域发展，同样推动了封装技术的演进，对扇出型封装需求也越来越大，根据Yole 2021年扇出型市场和技术分析报告，扇出型封装增长势头正旺，2020-2026年CAGR为15.1%，市场规模预计从2020年14.75亿美元增长至2026年34.25 亿美元。其中，移动消费领域16.13亿美元，电信与基础设施领域15.97亿美元，汽车出行领域2.15亿美元。

2020-2026年扇出型封装市场发展预期

（图片来源：Yole Development）

Core FO, HD FO, UHD FO在I/O以及RDL L/S对比

（图片来源：Yole Development）

2 扇入型封装和扇出型封装区别

谈到扇出型（Fan-Out）封装，必然会联系到扇入型（Fan-In）封装。扇入型（Fan-In）封装工艺流程大致描述为，整片晶圆芯片进行封装测试，之后再切割成单颗芯片，封装尺寸与芯片尺寸大小相同。

常见的Fan-In(WLCSP)通常可以分为BOP(Bump On Pad)和RDL(Redistribution Layer)。BOP封装结构简单，Bump直接生长在Al pad上；如果Bump位置远离Al pad，则需要通过RDL将Al pad与Bump相连。

随着I/O数量的增加，芯片尺寸无法容纳所有I/O时，扇出型封装由此衍生而来。扇出型封装基于重组技术，芯片被切割完毕后，将芯片重新嵌埋到重组载板（8寸，12寸wafer carrier或者600mmX580mm等大尺寸面板），按照与扇入型封装工艺类似的步骤进行封装测试，然后将重组载板切割为单颗芯片，芯片外的区域为Fan-Out区域，允许将球放在芯片区域外。

两者最大的差异为RDL布线，在扇入型封装中，RDL向内布线，而在扇出型封装中，RDL既可向内又可向外布线，所以扇出型封装可以实现更多的I/O。

3 扇出型封装细解

扇出型封装目前存在两大技术分支，即扇出型晶圆级封装（FOWLP）以及扇出型面板级封装（FOPLP）。

FOWLP封装2009年量产，但彼时只应用于手机基带芯片。真正转折点是2016年，iPhone7系列A10处理器采用TSMC基于FOWLP开发的集成扇出型芯片堆叠（Integrated Fan-Out Package on Package, InFO-PoP）封装，此后扇出型（Fan-Out）封装成为热点，各大手机OEM厂商争相追求HDFO(High-Density Fan-Out)封装。

FOWLP与FOPLP工艺对比

iPhone7系列A10处理器InFO-PoP

（图片来源：TSMC）

扇出型封装技术演进

（图片来源：Yole Development）

3.1 FOWLP封装技术

FOWLP封装技术主要分为Chip first以及Chip last，而Chip first可再分为Die face up（如Deca Technologies M-Series封装）以及Die face down（RCP以及eWLB封装等），Chip last形式又被称为RDL first，大致封装流程可参考下图：

☆Chip first, die face down封装技术

飞思卡尔于2006年左右推出重分布封装（Reconstituted Chip Package:RCP），英飞凌于2007年左右推出嵌入式晶圆级BGA（Embedded Wafer Level BGA : eWLB）。

RCP与eWLB均为Chip first，dieface down封装，工艺流程类似，与eWLB不同的是，RCP包括一个铜框架层，有助于改善wafer molding过程中芯片偏移，另外可提供电磁屏蔽和散热。

RCP封装

eWLB封装

日月光自研的FOCos（Fan-Out Chip on Substrate）封装同样支持Chip first, die face down封装技术。

FOCos-CF封装（图片来源：ASE）

☆Chip first, die face up封装技术

M-Series封装技术由Deca Technologies提出，TSMC于2016年推出的InFO封装，同样采用Chip first, die face up封装技术。

M-Series封装

（图片来源：Deca Technologies）

Chip first, die face up主要优点：

（1）芯片背面贴DAF重组，贴装后偏移较小；

（2）芯片背面贴装，避免了Chip first, face down情况下芯片边缘由切割引入的不平整贴装问题；

（3）更加平坦化，Wafer molding后进行Grinding研磨动作，消除了从芯片表面到Molding compound表面的不平整性。

☆ Chip last(or RDL first), die face down封装形式

2006年左右由NEC Electronics Corporation提出，Amkor于2015年推出的SWIFT（Silicon Wafer Integrated Fan-Out Technology）封装采用RDL first技术，RDL线宽线距能力≤2um，μbump pitch 40um，SWIFT封装可实现多芯片集成的3D POP封装以及无需TSV（TSV-Less）具有成本优势的HDFO高密度扇出型封装，适用于高性能CPU/GPU，FPGA，Mobile AP以及Mobile BB等。

Chip last, die face down

SWIFT封装

（图片来源：Amkor Technology）

Fan-In PoP SWIFT

（图片来源：Amkor Technology）

SWIFT on Substrate

（图片来源：Amkor Technology）

日月光自研的FOCos（Fan-Out Chip on Substrate）封装同样支持Chip last, die face down封装技术。

FOCos-CL封装

（图片来源：ASE）

Chip last(or RDL first), die face down主要优点：

（1）芯片只会在合格的RDL上倒装芯片，可避免芯片损失，适用于高价格的高端芯片；

（2）芯片通过倒装方式直接与RDL连接，消除了芯片偏移问题；

（3）超细RDL线宽线距实现HDFO，RDL线宽线距能力≤2um。

RDL制作方式可分为3种：第一种方式是通过PECVD制作SiO2或者SiN介电层以及Cu大马士革方法制作RDL，RDL线宽线距能力≤2um；第二种方式是通过Polyimide制作介电层以及电镀铜制作RDL，RDL线宽线距能力＞2um；第三种方式结合了前两种方式，又称为Hybrid RDL。

Hybrid RDL FOWLP工艺流程

（图片来源：Fan-Out Wafer-Level Packaging）

☆FOWLP封装技术优势

☆FOWLP封装技术对比

☆ 支持FOWLP封装技术主流公司

目前业内主流封装厂以及TSMC都基于不同的技术特点开发出各自的FOWLP技术，如下图所示。艾为基于自身产品的特点以及封装厂的技术优势，很早就已经开始关注FOWLP技术，并已经开始在一些产品上采用部分封装厂的FOWLP技术，艾为目前采用FOWLP封装技术的产品主要应用在电压转换器、音频功率放大器、负载开关等。

3.2 FOPLP封装技术

FOPLP封装流程与FOWLP类似，重组载板由8寸/12寸wafer carrier转换为大尺寸面板，以610mmX457mm尺寸面板为例，面积为12寸wafer carrier的3.9倍，单片产出数量为FOWLP的3.9倍，成本优势较大。

艾为也对FOPLP封装技术的发展保持着高度的关注，目前也已经开始在部分产品上尝试FOPLP技术，在不久的将来也会推出基于FOPLP封装技术的产品。

根据Yole对FOWLP以及FOPLP市场预测，FOWLP目前仍为扇出型（Fan-Out）封装主流，FOPLP正处于平稳增长阶段，预计市场占有率将由2020年的3%提升至2026年的7%。

2020-2026年FOWLP与FOPLP增加预测

（图片来源：Yole Development）

4 扇出型封装展望

扇出型（Fan-Out）封装等先进封装成为延续摩尔定律的关键封装技术，也为Chiplet技术提供了很好的基础，可实现芯片体积微小化以及多芯片高密度集成，扇出型（Fan-Out）封装关键挑战点在于更小的微凸块间距（μbump pitch: 40um-30um-20um-10um），新型键合方式（TCB&NCP, TCB&NCF, Hybrid Bonding等），以及更大的互连密度（RDL L/S: 2/2um-1/1um-0.5/0.5um）。

编辑：黄飞