行動裝置處理器發展與3D封裝技術趨勢

Intel/AMD以先進製程SoC搭配2.5D MCP封裝方式打造Haswell/Atom、AMD APU/GPU等行動處理器、行動繪圖晶片。Intel/GlobalFoundries

從英特爾的Haswell/Broadwell處理器、超微(AMD)的行動高效能GPU晶片，都不約而同的用上了2.5D中介板封裝技術，即將浮出檯面的DDR4，也醞釀導入3D立體堆疊加上矽鑽孔(3D Stacks+TSV)封裝；面對行動通訊所需要的射頻晶片(RF)、MEMS微機電感測器、功率晶片(PA)等元件的整合，異質性3D IC整合封裝技術(Heterogeneous 3D IC)，將使這些元件無所不包，為未來更輕盈、小巧的行動裝置帶來功能上的巨幅改變…

提升晶片電路密集度  朝立體天際線發展

由於要整合更多處理器核心、嵌入式記憶體、RF射頻元件，新一代行動裝置的應用處理器，除了採SoC整合設計、以先進製程來微縮線路間距之外，所採用的晶片封裝技術，也從MCP(Multi-Chip Package)多晶片封裝、3D立體堆疊(3D Stacks)甚至2.5D中介板(2.5D Interposer)封裝技術邁進。

3D IC是將處理器晶片、可程式化邏輯閘(FPGA)晶片、記憶體晶片、射頻晶片(RF)或光電晶片，裸晶打薄之後直接疊合透過TSV鑽孔連接。就像原先一層樓的平房往上疊了好幾層成為大樓，從中架設電梯使每個樓層相互連通一樣。而目前3D IC中，又可分為同質性的3D Stack(3D立體堆疊)，以及可用於異質性整合的3D IC封裝製程。前者較適用於相同性質晶片的裸晶堆疊與整合，像即將浮出檯面的DDR4記憶體晶片，就會採用Wide I/O封裝接腳以及3D Stacks堆疊封裝技術。

因3D IC可改善記憶體、邏輯晶片甚至異質性晶片的性能與可靠度，同時縮小產品尺寸並減低成本。據TechNavio預測，來自手機、平板電腦等行動運算裝置的記憶體需求，將驅動2012至2016年全球3D IC市場以19.7%的年複合成長率高速成長。而台積電、日月光、意法半導體、三星、美光、格羅方德、IBM、英特爾等多家公司皆已陸續投入3D IC的研發與生產。

在推進到3D IC同質性或異質性整合之前，被半導體產業視為過渡到未來3D IC的中介技術——2.5D中介封裝技術，最早由封測廠龍頭日月光所提出。因為當今高頻運作的CPU、GPU晶片本體，其工作溫度高達120°C，若硬是要疊合工作溫度僅85°C的DRAM、NAND Flash裸晶，會出現刷新機制與儲存耐受度的可靠性問題，同時亦面臨到不同種類的裸晶堆疊，因不同膠合材料的熱膨脹係數，在過熱時的熱應力效應，所導致堆疊晶片的變形甚至錫裂。

新一代運算？處理器晶片  以2.5D/MCP封裝提升運算密集度

2.5D中介板技術，將讓各種不同製程？工作特性的裸晶，改採彼此平行緊密排列，放置在玻璃或矽基材料的中介層上面進行連結，往下再連接到PCB電路板，縮短訊號的延遲時間，提升整體系統效能。過去3D IC技術須針對每一層裸晶進行熱？電磁測試，其中若一個裸晶出現問題，會導致整組3D IC堆疊裝置報銷。而2.5D技術可使得每顆先單獨測試的裸晶，放置在中介板後進行併排穿孔、構裝後，最後再經過一次整體整合測試即可，大幅降低封測成本。

首先採用2.5D中介板封裝製程的半導體廠家，以Xilinx與Altera兩大可程式邏輯閘陣列(FPGA)龍頭為代表。兩家均採用台積電的CoWos(Chip on Wafer on Substrate)的2.5D IC技術。而英特爾於2013年6月推出22nm製程的第四代Core i3/5/7-4xxx系列處理器(Haswell)，針對筆電平台採取2 in 1 BGA封裝技術，其中Intel Iris Pro 5200(GT3e)圖形晶片部份，更首度使用到2.5D interposer的封裝技術，將GPU與高速eDRAM透過中介基板結合成一體，大幅降低整體系統功耗與PCB佈線空間。

在2013年初曝光的Intel下一代處理器Broadwell藍圖中，曾謠傳Intel將針對桌上型電腦採用的LGA插槽可安裝升級架構捨棄，全面導向目前筆電所使用的BGA封裝、直接銲接於主機板的設計，後來Intel官方雖然否認此傳聞，伴隨著14nm的Broadwell處理器延至今年(2014)第四季才推出，但是BGA封裝的Haswell/Haswell Fresh處理器，已經從筆電、平板領域，推進到一體機(AIO)已架構，未來Intel是否針對中低階桌上型電腦市場，捨棄LGA插槽升級架構，直接推BGA封裝的Haswell Refresh/Broadwell處理器，屆時即可見真章。

以封裝技術平衡功耗與體積

即便製程仍停留在28nm製程，截至目前為止ARM已在智慧手機、平板電腦、智慧電視、機上盒等領域佔有超越95%的市佔率。GlobalFoundries於2013年12月28日宣佈與Amkor Technology合作，展示以28nm製程的嵌入式ARM Cortex裸晶，與兩組邏輯晶片以2.5D中介板連接、封裝的晶片成品。

在平板電腦領域中，Intel初期選擇跟微軟合作，原預計2013年Q3推出的22nm製程、64位元亂序執行四核心架構的新Atom Z37xx系列處理器(Bay Trail平台)，搭配Windows 8作業系統，其效能？低功耗可以跟當前四核ARM Cortex A9架構的Android平板相抗衡；但是既有平板廠商未積極支持，就連微軟自有品牌的Surface RT(ARM架構)、Surface Pro(x86架構)平板電腦，銷售量都奇慘無比，造成2013年第二季財報有9億美元的庫存減損。

Intel於2013年9月IDF首度揭露將推出支援Android OS的Atom傳統？變形平板電腦架構，配合著SoC高密集度、低成本BGA封裝來適度降低Atom處理器報價，試圖把Android x86平板終端價格降到250~349美元以下，來跟GooARM(Google Android+ARM)架構平板電腦做競爭。

而Atom處理器除了採SoC設計與BGA封裝之外，在2010年Intel也曾推出採MCP封裝的Atom E600C處理器晶片，集合低功耗Atom處理器晶片與Altera的Configurable FPGA(可組態程式化邏輯閘)兩組晶片於一體，瞄準工業控制與自動化醫療等市場。除了CPU之外，像AMD所推出的行動GPU/APU(加速處理器)晶片，也採用到2.5D Interposer加上MCP多晶片構裝的技術，將不同特性的CPU/GPU/DRAM裸晶做最有效的整合。

穿戴式裝置市場加溫  加速異質性元件整合封裝

報價1,500美元的Google Glass智慧型眼鏡，從早期創新發明階段到後期已塑造成配合人體工學又兼顧時尚外型的穿戴式應用產品，並於2014年5月14日開放全美使用者購買。無論是智慧眼鏡、智慧手錶、智慧手環或其他穿戴式裝置，都需要低功耗處理器、PA功率元件、RF射頻元件、CMOS Image Sensor影像感測及MEMS微機電感測元件等的整合，需要應用到可撓性印刷電路板(Flexible PCB)，將符合醫療用產品低功耗？低射頻的各種處理器、感測元件銲接連接。

為了進一步縮減穿戴式裝置晶片？產品的體積，下一步則會借助先進IC製程與封裝技術，朝SIP系統級構裝(System in Package)發展，亦即將各種晶片元件、系統以2D或3D方式做平面或立體式堆疊，包含前面所介紹的多晶片模組(MCM)、多晶片構裝(MCP)、PoP(Package On Package)、PiP(Package In Package)等類型。

而將來除了以更先進的IC製程(例如22/14 nm製程)技術，把各種數位？混合訊號電路以SoC方式做整合之外，隨著3D IC封裝技術的進展，未來將直接於矽晶載板(Substrate)上做異質型整合，也就是將所有感測元件、邏輯晶片、射頻元件、光電元件與電源元件片整合成一個單獨晶片外觀的複合式晶片，這將會是繼行動裝置之後，穿戴式裝置掀起的另一個殺手級應用。