前進 5G 三大關鍵，晶片封裝可靠度難題如何解

COVID-19 疫情重創全世界經濟，5G 智慧型手機可能因 COVID-19 遞延新機上市時程，不過全球各國進行 5G 商轉腳步不停歇，5G 需求只是遞延，並未消失。當 5G 進入高速發展階段，相關裝置預期將在 COVID-19 疫情緩和之際大舉出現市面，包括網路基礎建設、連網設備和節點、行動終端等。這場 5G 軍備競賽勢不可擋，相關上中下游供應鏈廠商如火如荼做好準備。

5G 網路速率更快、使用頻段更高、連結規模更大、網路延遲更低、連網可靠性更高，這些技術規格的全面提升，使產品設計難度大幅提高。如何達成效能目標，除從晶片、架構、系統設計等層面提升外，更需要透過良好的產品驗證測試及分析，方能協助達成 5G 的技術目標。

先進封裝技術，滿足 5G 晶片效能需求

5G 技術致力於更快的傳輸速度、龐大的資訊傳遞及低延遲的特性，對於製程技術的需求更勝以往，如何能夠讓產品效能更上一層樓，可以從以下兩個方向共同發展：

製程微縮：能在有限的空間內提升運算速度。
先進封裝：藉由先進封裝解決產品尺寸過大、耗電及散熱等問題，並利用封裝方式將天線埋入終端產品以提升傳輸速度。

因製程微縮，設備建置成本、良率與技術的難度也隨之增高，故此朝向「先進封裝」方向達到提升效能、改善製程成本與物理限制，是目前的主流。

終端裝置的高階封裝需求

終端裝置包含應用在手機及筆記型電腦（NB）的部分，如以 5G 手機為例，應用講求輕薄短小、傳輸快速，且整體效能取決於核心的應用處理器 AP（Application Processor）晶片。當然隨著 5G 高頻波段啟用，負責傳輸訊號的天線設計也須隨之改變。以下將針對應用處理器與天線進一步說明：

1. 5G 手機的應用處理器（Application Processor，AP）

AP 性能提升除了晶圓製程微縮，就是依靠封裝技術協助。形式主要是以 POP（Package on package）封裝為主，藉由 POP 堆疊 DRAM 能有效提升晶片間的傳輸效率並減少所需的體積。連接方式從傳統的打線（wire bonding）、覆晶（Filp chip）一路演進到目前的扇出型（Fan-out）封裝。扇出型封裝主要是利用 RDL 佈線減少使用載板（substrate），如下圖所示：

藉此減少載板的使用，間接達到效能提升、改善散熱、降低產品尺寸及成本的目的，因此 AP 的 IC 選擇，多以 Fan out POP（Package on package）封裝型式為主。

2. 天線

隨著 5G 將高頻毫米波頻段導入商用，使 5G 訊號從 1GHz 以下延伸至超過 30GHz，裝置對天線的需求更勝以往，使天線尺寸、路徑損耗及訊號的完整性必須加以考慮。

天線尺寸：由於天線體積取決於頻率，隨著更高頻波段毫米波（mmWave）的使用，天線將能有效縮小尺寸至毫米等級。
訊號完整性：透過增加天線數量進行發送及接受訊號，能使資料傳輸速度更快、更精確。
路徑損耗：高頻波段穿透性強，但穿透所造成的能量耗損及干擾，會使有效傳輸距離變短。

因此在天線數量激增、可用面積維持不變的情況，天線封裝（Antenna in Package，AiP）封裝型式，則成為目前廠商的最佳解決方案，AiP 主要採 SiP（System in Package）或 PoP 結構，將 RF 晶片置入封裝以達到縮小體積、減少傳輸距離，以降低訊號傳輸時造成耗損之目的。結構上可利用 RF 晶片的位置將結構區分成兩種，一種是包含在 substrate 內部的結構，另一種則是將 RFIC 置於 substrate 外側的結構。

雲端裝置的高階封裝需求

雲端裝置包含基地台及伺服器的應用，由於需處理龐大的資料訊息，著重在效能及散熱方面，因此以高速運算（HPC）晶片為主，多採用 2.5D / 3D 大型整合型封裝結構，提升訊號傳遞的速度與品質。

主要是藉由 PCB substrate、Silicon interposer、RDL 的重新組合當作晶片之間溝通的橋梁，對比傳統 substrate 線距可縮小 4~5 倍，如下圖所示：

線寬、線距縮小能有效增加封裝的 pin count 及縮短訊號延遲時間，提升整體系統效能。

5G 晶片異質整合當道，不可忽視背後的技術挑戰與可靠度

封裝結構、材料的改變將會影響可靠度生產的結果，例如，熱膨脹係數不匹配（CTE mismatch）、翹曲（warpage）、表面黏著技術（SMT）狀況等導致板階可靠度（Board Level Reliability）異常，都是常見的問題。

技術挑戰

1. 熱膨脹係數不匹配（CTE mismatch）

不同的材料具有不同的熱膨脹係數（coefficients of thermal expansion，CTE），隨著溫度的變化使材料膨脹狀況不一，因此會產生材料應力（material stress）。由於 5G 封裝內堆疊多種異質晶片，應力釋放的過程將更容易導致裂痕或脫層現象，並影響晶片運作。

「熱」永遠是產品可靠度的第一殺手，特別是同一封裝納入不同晶片的溫度耐受度不一，晶片外部溫度、系統溫度也會產生影響。

2. 翹曲（Warpage）

由於 5G 先進封裝異質整合晶片堆疊較以往複雜，且封裝體積有擴大趨勢，容易導致 substrate 嚴重翹曲。特別是在進行表面黏著技術（SMT）時，因高溫使得翹曲更加嚴重導致無法順利焊接於 PCB 板。除此之外 warpage 也可能導致雙球（Head in Pillow）的現象，進而造成可靠度測試早夭的問題。