一文讀懂Fan-out面臨的未來挑戰

來源：內容來自semiengineering，作者Mark Lapedus，謝謝。

Fan-out 晶圓級封裝市場正在升溫。比如在高端市場，幾家封裝廠正在開發能達到新里程碑的新 Fan-out 封裝技術——可以達到或突破神奇的 1μm 線/空間（line/space）限制。但這項技術也面臨著一些挑戰，因為其可能需要成本更高的處理流程和光刻這樣的設備。

今天，這個行業正在開發著多種類型的具有不同規格和流程的封裝技術。一個常見的規格是重新布線層（RDL/redistribution layer）中的線和空間特徵。一個 RDL 是由在一個 die 上形成的一層或多層構成的，其中包含了銅金屬連接線或從一個位置重新布線到 die pad 的跡線（trace）。線和空間分別是指金屬跡線和它們之間的空間的寬度。

圖 1：重新布線層，來自 Lam Research

隨著 Fan-out 所集成的晶元越來越複雜，就可能需要越來越多的層，而且線和空間也更加精細。比如，今天的 Fan-out 封裝的範圍是 5μm 線和 5-5μm 空間及以上，也有 2-2μm 在運作。在研發方面，一些人在研究 1-1μm 及以下的高端 fan-out 技術，包括能夠支持高帶寬內存（HBM）的封裝。2-2μm 的 fan-out 針對的是網路/伺服器應用，這項技術可能很快就將出現，而 1-1μm 則可能在 2020 年左右誕生。

分析師稱 Amkor、ASE、台積電等公司正在開發 1-1μm 左右及以下的 Fan-out 封裝。 Yole Développement 的分析師 Jér?me Azémar 說：「這種線和空間水平的Fan-out 在多個玩家那裡都處於研發階段。到目前為止，路線圖的主要目標是在標準 RDL 工藝下達到 2-2μm。但通過使用晶圓廠的 BEOL 作為補充步驟，是有可能達到甚至超過 1-1μm 的。」

Azémar 所指的工藝步驟既在封裝廠中有所應用，也被用在了晶圓廠的後端處理（BEOL）中。但也許在 fan-out 流程中的最大改變涉及到光刻設備，其可被用於對 RDL 跡線電路、通孔和封裝中的其它結構進行圖案化處理。對於 1-1μm 及以下的 fan-out，供應商必須切換波長並遷移到 i-line 或 365nm 光刻工具，這可能會導致成本和複雜性的增長。

考慮了這些問題後，對成本敏感的封裝廠就會面臨一些艱難的抉擇。一方面，2-2μm 及以下的 fan-out 僅針對高端客戶群。並不是所有客戶都需要這種水平的 fan-out 封裝，因為 5-5μm 及以上就已經很適合大多數應用了。

所以在回報不確定的情況下，封裝廠有必要投資研發高端 fan-out 嗎？還是說應該緩一緩，關注更加主流的技術？封裝廠需要根據幾個方面來進行權衡。在一個關鍵的設備方面，他們需要仔細考慮光刻技術這個選擇。對於封裝，主流的光刻工具是掩模對準器（mask aligner）和 stepper 。現在也有一些供應商在開發新的光刻工具，包括激光燒蝕以及使用多個光束的直接成像或無掩模光刻系統。另一種值得關注的技術是適應性圖案（adaptive patterning）。

封裝趨勢

一種 IC 封裝會集成多種互連方案，即將封裝中的一個結構與另一個結構相連。主要的互連技術有 wire bond、flip-chip、晶圓級封裝（WLP）和穿透硅通孔（TSV）。

wire bond 是使用微細的線將一個結構縫合到另一個結構。flip-chip 會形成微小的凸塊或銅柱來提供封裝中的電連接。

在高端層面，業界在繼續使用 TSV 來攻關 2.5D/3D 晶元，無論這些 TSV 是工作在整個 die 上，還是在一個單獨的 interposer 上。 interposer 集成了微細的跡線來實現到 die 的電連接。

圖 2：使用 TSV 和高帶寬內存的 2.5D，來自三星

舉個例子，GlobalFoundries 可以實現 0.8-0.8μm 的帶 interposer 的 2.5D 設計。 GlobalFoundries 封裝部門副總裁 David McCann 說：「2.5D 的 interposer 需要精細的線和空間來實現大規模並行介面，比如在用於網路和圖形的處理器與高帶寬內存之間。」

2.5D 在高端應用中已經得到了推動發展，比如 FPGA、圖形晶元和網路。但 interposer 的成本和其它因素讓 2.5D 難以變成一種更加主流的技術。

為了找到一種更低成本的解決方案，業界正在開發一種新型的高端 fan-out 封裝。供應商繼續為傳統的中端空間開發 fan-out。因為 fan-out 不需要 interposer，所以它比 2.5D 更便宜。

「我們看到越來越多的關於伺服器應用的查詢。而且我們也看到在伺服器應用上使用 fan-out 的興趣也越來越大。」Advanced Semiconductor Engineering（ASE）高級工程總監 John Hunt 說，「（客戶）想要我們能在 fan-out 上做 HBM。原因有兩個。一是 interposer 的成本很高，二是 fan-out 確實能帶來更好的電性能。但你需要精細的幾何學才能做到。要在 HBM 上完成所有 4000 個 I/O 的布線，尤其是當你有多個 HBM 連接到 GPU 時，你就需要非常精細的線。」

為此，業界希望超越 2-2μm。Hunt 說：「我們希望至少降至 1μm。那可能足夠支撐兩三年。後面的任何事情只能是猜測了。」

降至 2-2μm 及以下可以帶來很多好處。「你既能減少 RDL 的數量，也能有高密度的互連。」 ASM Pacific Technology 高級技術顧問 John Lau 說，「當然，這針對的是超級計算機、伺服器、電信和網路等高端產品。」

如果業界成功開發出了高端 fan-out，那麼它將能給 2.5D 帶來一些競爭。但一般而言，2.5D 和高端 fan-out 都將會有自己的市場空間。

fan-out 本身是一種 WLP 技術，即在 IC 還在晶圓上時就進行封裝。在 fan-out 中，單個 die 會被嵌入在一種環氧樹脂材料中。在封裝中，互連會被扇出，從而實現更多的 I/O。

fan-out 技術主要有三種類型：先晶元/面向下方（chip-first/face-down）、 先晶元/面向上方（chip-first/face-up）和後晶元（chip-last，有時候也被稱為 RDL first）。

圖 3：chip-first 與 chip-last，來自 TechSearch International

fan-out 的第一波浪潮被稱為嵌入式晶圓級球柵陣列（eWLB/ embedded wafer-level ball-grid array），出現於 2009 年。今天，eWLB 封裝的涵蓋範圍是 500 到 1000 I/O，並在 10-10μm 及以下使用 1 或 2 層的 RDL。

圖 4：eWLB 的演化，來自STATS ChipPAC

去年，當蘋果公司將 fan-out 用於其 iPhone 7 後，這項技術達到了一個里程碑。傳統上，蘋果和其它智能手機 OEM 都已經為其應用處理器集成了一種層疊封裝（PoP）技術。PoP 可靠又便宜，但在 0.5 mm 到 0.4mm 的厚度上，它就難以為繼了。

為了 iPhone 7，台積電製造了蘋果的 A10 應用處理器。基於 16nm finFET 工藝，蘋果的 A10 是用台積電的 InFO（Integrated Fan-Out）封裝的。據 TechInsights ，A10 的封裝厚度為 0.33mm 到 0.23 mm。據了解其使用了 5-5μm、10-10μm 和 10-10μm 三層 RDL。

今天，fan-out 的甜蜜點是 5-5μm 及以上。「對於移動或 RF 產品，10μm 線和空間就足夠好了。」STATS ChipPAC 產品技術營銷總監 Seung Wook Yoon 表示，「對於應用處理器，你可能需要 7-7μm。最小為 5-5μm。」

然而在研發方面，業界正在研發2-2μm 及以下的高密度 fan-out 或相關封裝技術。比如去年，ASE 介紹了一種名叫 Fan Out Chip on Substrate （FOCoS）的技術。這項技術針對的是伺服器領域，FOCoS 的第一個客戶將單獨的 16nm 和 28nm die 集成到了同一個封裝中。

圖 5: ASE 的 FOCoS 封裝；來自TechSearch International

FOCoS 是一種基於 fan-out composite die 技術的混合解決方案。「你在上面放上凸包。然後我們將其按照一個單個 die 進行處理，然後我們將其倒裝（flip-chip）到一個 BGA 基板上。」ASE 的 Hunt 說，「這裡基本的一點是消除了對 interposer 的需求。它在電性上比 interposer 表現得更好。」

這種封裝有 4 層 2-2.5μm的金屬層，而 ASE 還在研發新的版本。他說：「我們已經演示過 1.5-1.5μm.」

下一步是推進到 1-1μm 或更低，這面臨著一些挑戰。很顯然，客戶想要高端 fan-out 封裝達到或超越 2.5D 的表現，同時價格還要合理。「封裝尺寸也是一個難題，因為為 fan-out 所演示過的舒適區仍然相對很小。」Yole 的 Azémar 說，「總體而言，在如此之高的連接密度和封裝尺寸上，fan-out 的可靠性和成本方面都還不太清楚。我們將在一兩年後知道答案。」

但可以肯定，和當前的流程相比，1-1μm 或以下的 fan-out 將會需要不同的工藝和設備，尤其是在開發 RDL 方面。

製造 RDL 的方法有好幾種。最常見和最低成本的方法是一種基於聚合物的流程。另一種被稱為鑲嵌工藝（damascene process）的方法則是在 RDL 中沉積銅跡線。

圖 6：常見的 RDL 流程；來自 Chipbond

STATS ChipPAC 的 Yoon 說：「如果你達到了 2-2μm，就可能需要一種銅鑲嵌工藝或類似於鑲嵌的工藝。即使使用 TSV 2.5D interposer，你也需要為 1μm 線/空間使用一種銅鑲嵌工藝。這是一種不同於當前的晶圓級工藝的方法。」

最大和最關鍵的改變涉及到光刻。「為了滿足需求，這種工具需要更新。」Yoon 說，「目前我們在使用 stepper，這是一種寬頻資源。當你達到低於 2-2μm 的更精細的線和空間時，你就需要 i-line。」

另外還需要新材料。他說：「我們還必須使用一種不同程度的光刻膠來製造更精細的線寬間距。所以，這項工藝需要一種不同的光刻工具、檢測工具和不同光刻膠材料。我預計 RDL 結構還需要是鑲嵌類型。」

什麼是光刻？

光刻是一種在結構上形成細微特徵圖案的方法，在晶圓廠和封裝廠都有使用。在晶圓廠，這種工具可以處理納米級的特徵。而在封裝過程中，光刻與其它工具則被用於處理凸包、銅柱、RDL 和 TSV。這些結構是在微米級尺度上。

圖 7：fan-out 設備和材料預期；來自Yole Developpement

封裝領域存在 4 種主要的光刻設備類型：掩模對準、投影（steppers/scanners）、直接成像和激光燒蝕。掩模對準和 stepper 是最常見的工具，而其它技術給這些傳統系統帶來了威脅。

掩模對準已經被業界使用了很多年，是目前成本最低的工具。EV Group 和 Suss 是掩模對準業務的主要參與者。

在掩模對準時，晶圓會移動到該工具中。然後，一個帶有設定圖案的掩模被插入該系統。該掩模與晶圓對準，然後曝光，從而在晶圓表面形成 1:1 比例的圖案。

掩模對準被用於處理 5-5μm 及以上的特徵，儘管 3-3μm 也是可能的。「目前大多數人在 12-12μm 水平或 7-7μm 水平，正在接近 5-5μm。」EV Group 業務發展總監 Thomas Uhrmann 說，「如果你考慮 eWLB，你就可以在很大程度上用掩模對準做到所有事情。」

掩模對準也有一些局限性，但它們是最具成本效益的解決方案。Uhrmann 說：「如果你想在 5-5μm 或低於 5-5μm 的線和空間水平上投入生產，掩模對準仍然是完美的，而且具有優異的成本價值。」

但是對於更加精細的線和空間，封裝廠會使用 stepper。光刻封裝業務的領先供應商 Ultratech 就在銷售 1X stepper 和其它設備。其它 stepper 供應商還包括 Canon、Nikon、ORC、SMEE、Rudolph 和 Ushio。最近 Kulicke & Soffa 通過對封裝光刻創業公司 Liteq 的收購而進入了這一領域。

stepper 可以將特徵的圖像從掩模轉移到更小比例的晶圓上。這個流程不斷重複，直到晶圓被加工完成。一些系統按 1:1 或 1X 的比例處理特徵。同時，reduction stepper 可以在 2X、4X 或 5X 的比例上成像。

stepper 使用不同的曝光波長來對圖案進行圖案化。對於主流應用，封裝廠使用結合了多種不同波長（g、h 和 i）的傳統 stepper。一般而言，這種寬頻技術可被用於 2-2μm 左右及以上的圖案化。

Ultratech 光刻產品副總裁兼總經理 Rezwan Lateef 說：「對於大於 2μm 的應用，通常使用 ghi 波長（436nm、405nm 和 365nm），這通常是由一個寬頻光譜汞燈產生的。」

2-2μm 以下時，stepper 就需要不同的配置了。Lateef 說：「對於 1μm 和更小的特徵，只有 i-line（365nm）能被用於支持這些精細的解析度。」

Ultratech 和其它公司支持在同一工具中使用不同波長。「你可以通過使用一個 inline filter 將一個『ghi』波長系統放到『i-only』模式中。這可以帶來很好的用戶靈活性，可以開發配方以無縫的自動化的方式使用最合適的波長。」他說，「所以你可以使用『ghi』波長並過濾掉其中的『gh』。這種使用可選波長的能力增加了光刻系統的複雜性，但也為用戶提供了靈活性。」

但並非所有的『ghi』工具都是類似的。據分析師稱，一些工具可以操作精細的線和空間，另一些則難以下降到 5-5μm 水平以下。

也有其它一些選擇。對於 2-2μm 及以下，許多封裝廠都使用「純」i-line 的 stepper，而並不帶有「gh」技術。一些 i-line stepper 是 2X reduction 系統，它們針對的是 1.5-1.5 μm 及以下。

一些 i-line 工具已經能處理 0.8-0.8μm的 interposer 了。 GlobalFoundries 的 McCann 說：「在這個範圍上，i-line 光刻工具是完美的。」

不管 stepper 的類型如何，其封裝流程中還是有一些難題。比如說，「純」i-line 工具在晶圓廠中被用於處理非關鍵的層。在晶圓廠中，這些工具可被用於在平面晶圓上處理特徵。

但是在 fan-out 中，情況卻不一樣了。 Ultratech 的 Lateef 說：「它們通常是重構晶圓（reconstituted wafer）。它們有很多翹曲（warpage）。確保你有合適的焦點深度（depth-of-focus）是必需的。」

此外，在 fan-out 中，die 被嵌入在一個環氧樹脂模塑料中。其在 die 上的放置準確度是很關鍵的。但有時候，die 會在處理過程中移動，得到我們不想要的結果，這被稱為 die shift。這導致 fan-out 工藝需要使用光刻工具改進後的對準技術來補償 die shift。

「根據晶圓或面板的不同，關於高級封裝中更小几何尺寸的主要問題也是有差異的。」 Rudolph Technologies 光刻系統組副總裁兼總經理 Rich Rogoff 說，「對於晶圓和面板，為了通過更高的 NA 實現對更小焦點深度的處理，基板的平面化是一個關鍵的挑戰。另外，更嚴格的 registration 要求意味著需要改進對準和 stage 系統。」

其中一種可能的解決方案是 Deca Technologies 開發的名叫「適應性圖案（adaptive patterning）」的技術。這項技術是為其即將到來的 fan-out 線開發的。fan-out 封裝專業公司 Deca Technologies 的銷售和營銷副總裁 Garry Pycroft 說：「fan-out 封裝所面臨的一個難題是 IC 在重構晶圓中的移動。在傳統的使用掩模的 fan-out 封裝工藝中，這種錯位可能導致與焊盤之間缺乏互連，顯然會導致出現故障單元。」

Pycroft 說：「適應性圖案工藝集成了一個檢查步驟，用以確定重構晶圓中半導體的位移，然後調整後續的工藝步驟來處理這個位移，由此可以得到更高產的互連。在你開始處理高級設計規則和多 die 封裝時，對適應性工藝的需求將變得更加緊迫。」

但可以肯定的是，成本也是一個因素。「純」i-line stepper 的價格高於傳統的「ghi」系統。因此，封裝廠需要考慮購置成本。如果高端 fan-out 市場是實實在在的，那麼投資 i-line 工具也在情理之中。風險在於這個市場可能永遠無法騰飛或產品無法達到預期。

其它選擇

除了 stepper，還有一些其它選擇。比如 Orbotech 和 Screen Semiconductor Solutions 正在開發的直接成像系統（direct imaging system），這有點像是直接寫入或無掩模光刻。

Screen，也叫 Dainippon Screen，其系統的目標是面板級的 fan-out 市場。同時，Orbotech 的技術也在 PCB 行業有所應用。其也被用於封裝中的 IC 基板。

Orbotech 的激光直接成像技術使用了多個光束直接在表面列印特徵，精度為 8-8μm，並且正計劃推進到 5-5μm 和 2-2μm。Orbotech 的行業營銷總監 Shavi Spinzi 說：「在高級封裝領域，你可以使用 stepper 做的很多事情都可以使用直接成像更高效地完成。」

直接成像有一些優勢。「通常來說，這是一個多光束系統，用以滿足正確的通量。」Spinzi 說，「你不需要為 stepper 或對準器使用掩模，而可以直接使用激光來形成你需要的圖案。因為你不需要掩模，所以你可以測量 die 的位置。而且你可以實時地計算你需要繪製的線的精確位置。」

另一家供應商 Suss 正在開發另一種被稱為受激準分子子激光燒蝕（excimer laser ablation）的方法。Suss 使用了 248nm 和 308nm 波長的激光燒蝕工具可以實現 5-5μm 到 2-2μm 的特徵。激光燒蝕可以用於多種封裝應用，比如溝槽和通孔。

激光燒蝕是一種乾式圖案工藝。該系統可以破壞表面的分子結構，直接蝕刻想要的電路圖案。

分析師表示，激光燒蝕大有前景，但這項技術還不成熟，還需要進一步研發。同時，我們還不清楚直接成像還能擴展到什麼程度。

顯然，i-line 是有效的，但成本是關鍵。總而言之，封裝廠必須找到一種解決方案，否則它們就可能錯過高端 fan-out 的列車。

今天是《半導體行業觀察》為您分享的第1331期內容，歡迎關注。

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