FOPLP普及之路还需克服哪些挑战？

（本文编译自Semiconductor Engineering）

针对先进节点的扇出型面板级封装（FOPLP）曾一度因其在可制造性和产量方面所面临的挑战而应用受阻，但如今，它正崛起为一种极具潜力的解决方案，旨在满足行业对更高集成密度和成本效益的迫切需求。

长期以来，FOPLP一直是消费电子、物联网设备以及中端汽车系统等成本敏感型应用的首选。凭借其以较低成本在紧凑空间内集成多个芯片的能力，FOPLP成为了成熟节点半导体集成的理想之选。

据Yole Group指出，对于具有高吞吐量的应用而言，面板级封装相较于扇出型晶圆级封装，成本可节省高达20%-30%。这一显著节省主要得益于面板上更大的可用面积，使得能够同时处理更多的芯片。

在智能手机领域，FOPLP已被广泛应用于电源管理IC、射频模块和音频放大器，尤其是在中端和入门级设备中。同样，早期的可穿戴设备如健身追踪器也采用了FOPLP，在实现轻薄设计的同时，又保证了基本功能的完整性。除了消费电子产品外，FOPLP在物联网边缘设备中也得到了广泛应用，如智能家居传感器和工业监视器，这些应用对可扩展性和成本效益有着极高的要求。在汽车领域，FOPLP也展现出了其巨大应用潜力，它平衡了汽车信息娱乐系统、连接模块和中等功率电子设备中的成本效益与所需可靠性。

Amkor Technology晶圆服务业务部高级副总裁Doug Scott表示：“从器件封装的角度来看，FOPLP最初旨在通过在大型方形面板格式（而非标准的圆形300毫米格式）上同时处理更多单元，以降低相对低复杂度、低成本封装的成本。这使得扇出面板尺寸可以超过600毫米x600毫米，用于器件封装。然而，随着FOPLP越来越针对高度复杂、非常昂贵的封装，由于设备放置的精确性、可用性以及分辨率规格的要求，面板尺寸可能会缩小至600毫米x600毫米以下。”

FOPLP以其成本优势、出色的可扩展性以及简化的集成流程，长期以来一直是性能要求相对较低的大批量生产应用中的有效解决方案。随着行业逐步向先进节点封装转型，FOPLP正逐渐崭露头角，成为有力的竞争者。尽管2.5D中介层等竞争技术以其卓越的性能优势引人注目，但其高昂的成本和技术复杂性可能成为其广泛应用的阻碍。

Lam Research公司高级技术总监CheePing Lee解释道：“FOPLP通过在大型面板格式中封装更多芯片，相较于其他方法，展现出了潜在的成本优势。它提供了处理各种材料和尺寸面板的灵活性，有助于提高生产率、增加产量，并在大规模制造环境中实现更低的拥有成本。然而，对于某些应用而言，FOPLP的潜在成本节约可能会受到一些挑战，包括高昂的初始设备投资、有限的供应链资源，以及由于大尺寸格式所带来的加工产量问题。”

尽管FOPLP带来了成熟的工艺和经过验证的功能，为先进节点提供了更具可扩展性和成本效益的解决方案，但先进节点的高密度和更严格的公差要求仍然需要解决一些长期存在的问题，如翘曲、对准精度和工艺变化等。为了满足这些需求，推进FOPLP技术需要在新材料、工具和方法上进行大量投资。另一方面，FOPLP的较低成本使其成为连接尖端性能与大规模可制造性之间的独特而吸引人的桥梁。

日月光集团的高级总监Lihong Cao在最近的一次演讲中强调：“扇出型封装的挑战在于如何管理更大尺寸的芯片和更高密度设计的复杂性，同时确保可制造性和成本效益。自动化在该过程中发挥着至关重要的作用，因为诸如自动布线IC设计和自动生成器工作流程等工具可以显著缩短设计周期，优化芯片布局以提高产量，从而满足扇出型工艺固有的可变性和可扩展性需求。”

Brewer Science封装解决方案业务开发部Wenkai Cheng则表示：“面板级工艺面临着独特的挑战，而专用设备对于实现FOPLP的可扩展性至关重要。为了满足这些需求，设备提供商、供应商和制造商正在紧密合作，不断改进面板级应用的设备。”

面板

FOPLP正经历从成本敏感型应用向AI、5G及高性能计算（HPC）中先进节点封装的可行选择的重要转变。这一转变的背后，是对更高集成密度、更大封装尺寸以及经济高效制造的迫切需求。然而，FOPLP技术仍需应对材料兼容性、产量提升以及标准化缺失等方面的挑战，这些问题的解决是其实现更广泛应用的关键。

三星在先进节点FOPLP的部署上已取得显著进展。其用于可穿戴设备的Exynos W920处理器便采用了5nm EUV技术和FOPLP。据TrendForce曾报道，谷歌亦在Tensor G4芯片中引入了三星的FOPLP技术。同时，AMD、NVIDIA等公司正与台积电和OSAT供应商携手，致力于将FOPLP融入其下一代芯片中。这一趋势涵盖了从晶圆级向面板级2.5D封装的过渡，尤其在AI GPU和多芯片应用中，更大的封装尺寸显得尤为重要。此外，日月光、Powertech Technology Inc.（PTI）等OSAT企业已将FOPLP的应用范围拓展至电源IC和RF IC，以满足成本敏感型市场的需求。

TrendForce分析师Tom Hsu指出：“AMD在采用FOPLP制造先进节点芯片方面表现最为积极。谷歌也在与OSAT合作开发FOPLP，但目前OSAT仍难以提供足够高的生产良率，使FOPLP成为传统节点的经济之选。”

据日经新闻报道，台积电正着手开发一种515毫米x510毫米的矩形基板用于FOPLP，与传统的12英寸圆形晶圆相比，该基板的可用面积将增加三倍。尽管台积电的相关努力仍处于初期阶段，但其首席执行官魏哲家在最近的财报电话会议上承认，面板级扇出技术代表着一条有潜力的未来路径。“我们正在研究面板级扇出技术，但目前它尚不成熟。我个人认为至少还需三年时间……我们正在为此努力，”魏哲家表示。

Hsu进一步补充道：“群创和ST Micro通过从授权商处采用FOPLP工艺封装，得以在传统节点上获利。这种商业模式最近在2023-2024年间出现，并有望在未来几年内扩大。TrendForce预计，从2026-2027年开始，FOPLP将在先进节点上得到更广泛的应用，因为一旦使用FOWLP封装，具有更大芯片尺寸的AI芯片就不再具备经济效益。”

尽管早期采用者数量有限，但用于先进节点的FOPLP仍在持续发展之中。该技术需克服在高密度应用中实现均匀性和精度的重大挑战，而芯片尺寸远超光罩尺寸10倍的问题仍是一个亟待解决的难题。只有在对材料、工具和工艺创新进行进一步投资后，才有可能取得突破。然而，随着三星、台积电等行业巨头的投资，FOPLP有望在下一代封装解决方案中发挥举足轻重的作用。

工艺创新

尽管FOPLP展现出了光明的应用前景，但其转型之路仍需对专为面板级制造设计的新材料、工艺及设备进行巨额投资。这些大型面板要求极高的翘曲控制精度和材料一致性，以确保高密度设计中互连的可靠性。

Promex首席执行官Dick Otte指出：“在大型面板上实现良好的平整度仍是关键挑战。当封装上的I/O数量超过几百个时，平整度变得至关重要。在回流过程中，焊点柱必须精确地对准电路板焊盘，误差控制在几微米以内，以确保所有接头都能实现高产量的连接。”

此外，重分布层（RDL）技术的突破和新电介质材料的整合对于提升可靠性、降低先进节点设计的功率损耗具有至关重要的作用。

Onto Innovation光刻产品营销总监Keith Best表示：“为了将RDL路线图从5µm l/s扩展到2µm l/s，高分辨率铜互连需要采用全新的干膜光刻胶化学技术。这面临的挑战在于支持镀层RDL结构所需的纵横比。例如，对于2µm l/s，光刻胶厚度至少需达到6µm，以支撑4µm的镀层厚度。同时，整个面板的镀层均匀性必须控制在目标厚度的±1.5µm范围内，以防止RDL桥接导致产量损失。或者，也可以采用狭缝/槽式涂布机应用液体光刻胶，以实现更高分辨率的RDL。这两种方法都需要大量的研发工作，以确定哪种方法最适合大规模生产（HVM）。”

此外，还有其他方面的进展。Amkor Technology Portugal研发总监Eoin O'Toole补充道：“FOPLP中RDL处理材料和设备的最新进展在成本和性能上均得到了显著提升。包括光刻胶和电介质在内的新型干膜现在支持更广泛的尺寸，电气性能和与厚金属层的兼容性也有所提高。在设备方面，等离子处理平台已能够处理更大的面板，而面板用激光直接成像（LDI）系统的日益普及正在降低曝光成本。此外，集群设备和先进的层压系统正在提高效率，即使在不平坦的表面上也能成功应用干膜。”

推动FOPLP转型的关键因素之一是在封装过程的初始阶段就将已知良好的芯片暂时粘合到载体面板上，以防止在最终模具封装步骤之前发生芯片移位。先进的粘合剂现在具有更高的热稳定性、更匹配的CTE（热膨胀系数）和更好的粘合性。

O'Toole表示：“热膨胀系数低的材料在解决热失配和减少翘曲方面发挥了重要作用。新的液态和粒状模塑化合物有望进一步提升可靠性性能。”

此外，增强层和热固性聚合物提高了面板的平整度，从而确保了加工过程中更好的对准。

Amkor的Scott指出：“与经过验证的圆形300毫米面板相比，非圆形大面板在金属沉积、电镀和蚀刻工艺的均匀性方面需要保持一致。同时，面板的预处理和后处理也需要根据具体的FOPLP处理步骤进行定义。”

缺乏标准阻碍采用

尽管扇出型面板领域取得了鼓舞人心的进展，但通往全面采用先进节点的道路依旧布满重重挑战。将FOPLP技术扩展到面板尺寸，无疑加剧了机械方面的难题，特别是翘曲和对准问题。即便是微小的错位，也可能引发影响产量和可靠性的重大缺陷。此外，要在这些大型且往往形状不规则的面板上实现工艺均匀性的一致性，就必须使用专为面板级应用设计的精密工具和先进材料。

Lam Research的Lee指出：“在大型面板上实现均匀电镀，无疑是最具挑战性的工艺步骤之一。由于面板的尺寸、形状以及可能存在的翘曲，要实现整个面板的均匀性极为困难，而一旦无法实现，就可能导致后续层出现形貌缺陷。”

长期以来，阻碍FOPLP更广泛采用的一个重要因素就是标准面板尺寸的缺乏。与晶圆级封装主要以200毫米和300毫米为标准不同，不同制造商的面板尺寸差异显著，导致工具和设备设计缺乏一致性。通常，必须为每种独特的面板尺寸开发定制解决方案。

日月光的Cao表示：“在晶圆级封装领域，我们已经趋近于标准尺寸。但对于面板级而言，缺乏标准化意味着制造商必须调整其设备以适应不同的尺寸，这无疑增加了设计过程的成本和复杂性。”

Nordson Test & Inspection的计算机视觉工程经理John Hoffman进一步强调：“面板级封装面临的最大挑战之一，就是尺寸缺乏标准化，这直接决定了系统设计的一大部分。对于晶圆，我们有200毫米和300毫米的标准，但面板的尺寸差异很大。这种差异使系统设计变得更加复杂，特别是在处理和压平翘曲面板时。对于晶圆，真空吸盘可以确保平整度，但对于面板，通常需要缺陷跟踪能力来应对起伏。”

SEMI 3D20标准的出台，是朝着解决这一问题的方向迈出的重要一步。这一规范为面板特性提供了框架，使设备供应商能够设计与标准面板尺寸兼容的工具，从而减少了昂贵的定制需求。然而，这些标准的广泛采用仍处于初级阶段，目前的面板尺寸范围从650毫米x650毫米到400毫米x500毫米不等，这不断给设备供应商带来了挑战。

Amkor的Scott补充道：“如果无法实现高产线利用率，FOPLP的规模化将导致成本过高。由于大部分FOPLP产线无法与标准300毫米工艺互换，因此开放产能可能会引发投资回报问题。但如果产线能够以高利用率运行，FOPLP无疑是一个理想的解决方案，因为扩大FOPLP的初始投资可能超过1亿甚至2亿美元。”

弥合设计和制造差距

从设计的视角来看，FOPLP带来了超越传统硅中介层与PCB类基板方法的全新复杂性。为了融合这些不同的方法，我们亟需新的工具及协作框架，以满足扇出型封装的独特且严苛的需求。

新思科技解决方案服务高级总监Shawn Nikoukary指出：“转向FOPLP无疑是一个激动人心的进步，但这一转变也需要我们巧妙地融合两种截然不同的方法。传统上，基板设计主要依赖类似PCB工具，而硅中介层则侧重于芯片设计工具和签核流程。扇出型封装技术的出现，巧妙地将这两个领域的特性融合在一起，创造了一个既需要新工具又呼唤新方法的模糊地带。”

EDA软件工具的进步在应对这些复杂挑战中扮演着举足轻重的角色。人工智能驱动的解决方案通过应对多芯片系统的复杂性问题、平衡热和电的性能权衡，以及实现迭代原型设计，为优化设计配置提供了强有力的支持。

新思科技产品管理总监Keith Lanier表示：“先进封装的复杂性正在不断突破设计空间优化的边界。随着芯片尺寸的不断扩大、互连数量的增加以及热和电性能权衡需求的提升，我们对AI驱动解决方案的依赖也变得越来越强烈。这些先进的工具不仅有助于我们管理复杂的设计空间，还支持对配置进行迭代探索，以实现性能和可制造性的双重优化。”

然而，这些工具还必须与协同设计平台紧密集成，以确保系统级性能与先进的FOPLP要求保持高度一致。设计和测试团队之间的紧密协作，对于确保最终产品能够满足性能和可制造性标准具有至关重要的作用。

Nikoukary补充道：“一个综合性的协同设计平台，对于将系统级性能与先进的FOPLP要求相结合来说至关重要。具备早期探索能力以及对早期技术决策进行原型设计的能力，对于解决热点和EMIR（电磁干扰与辐射）问题来说绝对是不可或缺的。”

协作要求

面对像FOPLP这样的先进封装技术所带来的挑战，孤立地寻求解决方案是行不通的。跨生态系统的紧密协作——涵盖材料供应商、设备制造商、OSAT企业以及系统集成商——对于克服技术、经济和物流方面的重重障碍而言至关重要。

Onto公司的Best表示：“与客户及供应商的携手合作，对于攻克FOPLP中的工艺均匀性、翘曲及对准等难题至关重要。正是得益于这种合作，我们得以改进先进的光刻系统，从而满足行业不断变化的需求。”

这一观点得到了广泛的认同。Promex的Otte也指出：“整个生态系统要实现高效协作，离不开清晰的沟通以及对技术需求和局限性的共识。当前，最大的难题在于无人能全面洞悉所有选项及其潜在影响。因此，加强沟通，特别是跨国界的沟通，对于推动进展至关重要。无论是口头还是书面解释，都应辅以图示、照片或其他视觉化手段，以确保信息的准确传达。”

然而，知易行难。Nikoukary解释道：“从根本上讲，基板和PCB工程师的工作环境与传统的芯片设计师大相径庭。基板与PCB团队通常习惯在Windows系统下作业，并依赖专为封装和PCB模拟设计的工具；而芯片设计师则更青睐Linux环境，并需要借助芯片设计和签核模拟工具。要弥合这一鸿沟，始终充满挑战，尤其是在培训基板工程师以适应全新的工具、方法及先进封装所需的Linux环境工具时。”

不仅如此，差异还体现在软件环境之外。新思科技的Lanier进一步指出：“设计规则的定义和应用方式同样存在脱节。硅晶圆代工厂与封装公司对于设计规则的处理方式也截然不同。尽管已有一些标准存在，但我们仍需加强协调，以确保这些规则能够契合新兴设计的需求，并实现跨领域的无缝对接。”

结语

FOPLP有望在未来的先进半导体封装领域掀起一场革命性的变革。随着人工智能、5G通信以及高性能计算等技术的迅猛发展，它们对集成密度和成本效率的要求日益严苛，而FOPLP恰好提供了一种既可扩展又经济高效的传统晶圆级封装替代方案。然而，FOPLP的广泛普及还需克服大面板翘曲、对准精度以及工艺均匀性等一系列挑战。

对于FOPLP未来的成功而言，标准化与协作扮演着举足轻重的角色。当前，整个行业在面板尺寸和设计规则方面缺乏统一的标准，这无疑增加了生产的复杂性和成本。SEMI 3D20等倡议正致力于填补这些空白，为面板特性制定规范，以实现更广泛的设备兼容性。与此同时，OSAT企业、材料供应商以及EDA工具供应商之间的深入合作，对于完善协同设计平台、提升可制造性并缩短开发周期而言也至关重要。

展望未来，FOPLP有望在基于芯片的设计中占据更加重要的地位，为大规模应用中的多芯片系统带来显著的成本和性能优势。随着材料、设备及工艺方法的持续创新，FOPLP完全有能力弥合尖端性能与可制造性之间的鸿沟。只要行业内的利益相关者能够就标准达成共识并加速合作进程，FOPLP有望成为下一代封装的基石，引领半导体封装技术迈向新的高度。