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）。
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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。
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（图片来源：yole development）
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（图片来源：yole development）
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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
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