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1. 前言

摩爾定律作為電子制造產(chǎn)業(yè)鏈的金科玉律，一直屹立于科技發(fā)展的前沿，給整個(gè)電子制造產(chǎn)業(yè)鏈指明了非常明晰的發(fā)展方向，可謂厚澤萬(wàn)物。但近些年，由于IC制造過(guò)程中使用的光刻技術(shù)（Photolithography）相對(duì)于摩爾定律顯得相對(duì)滯后，IC業(yè)界給予厚望的EUV(Extreme UltraViolet)光刻設(shè)備也在緊鑼密鼓的研發(fā)中，技術(shù)成熟度尚達(dá)不到量產(chǎn)的水平，使得IC制造成本在晶圓節(jié)點(diǎn)（Wafer Node）不斷縮小的情況下，成本呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)；另一方面，2017年，蘋果A11/A10X、高通驍龍835、三星Exynos 8895、華為Kirin970和聯(lián)發(fā)科Helio X30蓄勢(shì)待發(fā)，晶圓節(jié)點(diǎn)已經(jīng)發(fā)展到10nm量產(chǎn)的階段，已經(jīng)非常接近FinFET制程的物理極限5nm，也即即便EUV光刻設(shè)備可以量產(chǎn)使用，也無(wú)法改變摩爾定律即將死亡的趨勢(shì)。那接下來(lái)電子制造行業(yè)該何去何從？業(yè)界和學(xué)界也給出了比摩爾定律更為多元化的答案：more moore（深度摩爾，IC制造角度的摩爾定律）和more than moore（超越摩爾，IC封裝角度的摩爾定律），見圖1：

圖 1 后摩爾定律時(shí)代Roadmap

何謂深度摩爾（more moore，IC制造角度的摩爾定律），是延續(xù)CMOS（FinFET）的整體思路，在器件結(jié)構(gòu)、溝道材料、連接導(dǎo)線、高介質(zhì)金屬柵、架構(gòu)系統(tǒng)、制造工藝等等方面進(jìn)行創(chuàng)新研發(fā)，沿著摩爾定律一路scaling（每?jī)傻饺�年左右，晶體管的數(shù)目翻倍），見圖2 Logic IC的roadmap：

圖 2 Wafer Node Roadmap

目前深度摩爾一般適用于數(shù)字電路，如智能手機(jī)中的處理器（AP）和基帶芯片（Base Band），均屬于SoC的范疇。前面我們也提到，由于FinFET的物理極限是5nm，那么發(fā)展到5nm后如何繼續(xù)呢？那就必須打破FinFET的結(jié)構(gòu)和材料限制，開發(fā)和研究新的Transistor（switch）形式，如Tunneling FET（TFET）、Quantum Cellular Automata (QCA) 、SpinFET等，也即圖1中所謂的Beyond CMOS。

何謂超越摩爾（more than moore，IC封裝角度的摩爾定律），主要側(cè)重于功能的多樣化，是由應(yīng)用需求驅(qū)動(dòng)的。之前集成電路產(chǎn)業(yè)一直延續(xù)摩爾定律而飛速發(fā)展，滿足了同時(shí)期人們對(duì)計(jì)算、存儲(chǔ)的渴望與需求。但芯片系統(tǒng)性能的提升不再靠單純的暴力晶體管scaling，而是更多地依靠電路設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)算法優(yōu)化，同時(shí)集成度的提高不一定要靠暴力地把更多模塊放到同一塊芯片上，而是可以靠封裝技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)集成。模擬/射頻/混合信號(hào)模塊等不需要最先進(jìn)工藝的模塊可以用較成熟且廉價(jià)的工藝實(shí)現(xiàn)（比如為模擬射頻工程師所喜聞樂見的65nm），而數(shù)字模塊則可以由先進(jìn)工藝實(shí)現(xiàn)，不同模塊可以用封裝技術(shù)集成在同一封裝中，而模塊間的通訊則使用高速接口。這種集成方式即異質(zhì)集成(heterogeneous integration)，是目前在工業(yè)界和學(xué)界都非�；鸬腟iP，不但可以減低成本，而且可以更加集成化，見圖3（b）。智能手機(jī)中的射頻前端模塊、WiFi模塊、藍(lán)牙模塊和NFC模塊等模擬電路均適用于超越摩爾的情景。

回頭再看摩爾定律的兩個(gè)方向，無(wú)非就是SoC和SiP的差異，一個(gè)是IC設(shè)計(jì)角度,一個(gè)是IC封裝角度，見圖3，也可是數(shù)字電路與模擬電路的差異。這樣，再去理解SoC和SiP何其簡(jiǎn)單。

圖 3 SoC與SiP

那我們?cè)侔岩暰�從理論預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用，作為消費(fèi)電子時(shí)代的弄潮兒蘋果公司自然是大家討論技術(shù)走向的焦點(diǎn)。隨著蘋果公司發(fā)布iPhone 10周年的臨近，紀(jì)念版iPhone的消息更是紛至沓來(lái)，讓人目不暇接，其最新技術(shù)走向更是值得大家分析揣測(cè)。

首先就是2016年9月iPhone 7的A10 Fusion首次采用TSMC 16nm 的InFoWLP封裝技術(shù)，完全取代了以往的FCCSP的封裝技術(shù)，而今年9月即將發(fā)布的紀(jì)念版iPhone A11將采用TSMC 10nm的InFoWLP封裝技術(shù)，而與之對(duì)應(yīng)的主板則會(huì)革命性地將載板的精細(xì)線路制造技術(shù)MSAP導(dǎo)入PCB行業(yè)，重新定義了電子制造產(chǎn)業(yè)鏈，由于原來(lái)的IC制造（TSMC）➔IC封裝（ASE）+IC載板➔SMT（Foxconn）+PCB的制造流程改為IC制造（TSMC）➔ SMT（Foxconn）+PCB，也即把IC封裝融入IC制造，PCB直接代替IC載板。那我們不難發(fā)現(xiàn)，這種是基于深度摩爾由于AP 升級(jí)（16nm至10nm）而帶來(lái)的革命性改變。

其次是蘋果Apple Watch的發(fā)布，其最具特色的就是S1芯片（見圖4）的封裝技術(shù)，即SiP封裝技術(shù)（System in Package），不但把AP應(yīng)用處理器（已經(jīng)集成了SRAM內(nèi)存）、NAND閃存、各種傳感器、特殊用途芯片、IO及功耗管理IC封裝到了一起，而且還把其他被動(dòng)原件均集成在一塊載板上，在這里其主板客串了兩個(gè)角色：IC載板和PCB主板，其整個(gè)電子制造產(chǎn)業(yè)鏈也由傳統(tǒng)的IC制造（TSMC）➔IC封裝（ASE）+IC載板➔SMT（Foxconn）+PCB縮短為IC制造（TSMC）➔IC封裝（ASE）+IC載板，也即把SMT流程全部整合入IC封裝，并采用IC載板代替PCB主板。從此我們也不難看出，這種就是基于超越摩爾由于封裝技術(shù)的革新而帶來(lái)的革命性整合。

圖 4 Apple Watch S1

從以上蘋果公司最新的技術(shù)應(yīng)用分析，我們可以看出，蘋果、臺(tái)積電、日月光和富士康四親兄弟分別代表著IC設(shè)計(jì)、IC制造、IC封裝和SMT四個(gè)領(lǐng)域正忠實(shí)地沿著深度摩爾和超越摩爾的路線前行，引領(lǐng)者整個(gè)電子制造行業(yè)的發(fā)展與變革，同時(shí)也潛移默化地影響著PCB制造者和IC載板制造者。作為PCB制造的從業(yè)者，更需要擦亮眼睛，做到envision it，enable it，只有這樣才能永葆。下面我將從IC封裝和IC載板技術(shù)方面談起，更詳細(xì)地介紹Fan-Out WLP、SLP和SiP，為PCB產(chǎn)業(yè)后續(xù)發(fā)展和遠(yuǎn)景規(guī)劃提供建議。

2. IC封裝技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)（含IC載板、Fan-Out WLP、SLP和SiP）

電子制造產(chǎn)業(yè)鏈包含前端的高端電子產(chǎn)業(yè)鏈（IC設(shè)計(jì)、IC制造和IC封裝）和后端的SMT貼件及組裝，所以IC封裝技術(shù)屬于高端電子制造領(lǐng)域極其重要的一環(huán)，其技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)同樣受摩爾定律的影響，當(dāng)然現(xiàn)階段同樣受困于摩爾定律的局限性影響。隨著高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蠹盁o(wú)線技術(shù)的飛速發(fā)展，沿著深度摩爾的方向，芯片尺寸不斷縮小，I/O數(shù)不斷增加，傳統(tǒng)的IC封裝正逐漸由Lead frame、Wire Bonding轉(zhuǎn)向Flip Chip，見圖5，從而避免互聯(lián)通道過(guò)長(zhǎng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸通道造成的信號(hào)損失；當(dāng)IC制造受到諸多限制因素，摩爾定律逐漸趨緩時(shí)，人們不得不開辟超越摩爾的發(fā)展道路，從最初的單個(gè)IC對(duì)應(yīng)單個(gè)載板的封裝走向多個(gè)IC對(duì)應(yīng)單個(gè)載板的SiP封裝（2D、2.5D、3D封裝）。

圖 5 封裝技術(shù)發(fā)展Timeline

為了更詳細(xì)的了解IC封裝技術(shù)及其所包含的IC載板技術(shù)，我們需要將視角由摩爾定律轉(zhuǎn)向IC實(shí)際應(yīng)用。縱觀ICT時(shí)代，電子制造技術(shù)的主要驅(qū)動(dòng)來(lái)源于兩個(gè)方面：第一，以智能手機(jī)為核心的消費(fèi)電子，第二，以大數(shù)據(jù)云計(jì)算為核心的高性能計(jì)算機(jī)，不同的應(yīng)用對(duì)應(yīng)不同的IC封裝和IC載板，見圖6：

圖 6 IC封裝應(yīng)用及演變趨勢(shì)

從圖中我們也可看出，主流IC封裝主要包括3個(gè)大類：傳統(tǒng)BGA/CSP封裝、WLP封裝和SiP，所以我將從以下三大類封裝闡述IC載板、SLP、FoWLP及SiP的差異。

2.1 傳統(tǒng)BGA/CSP封裝及IC載板

廣義上的封裝包括兩部分，一級(jí)封裝IC載板和二級(jí)封裝PCB（SMT），我們所說(shuō)傳統(tǒng)的BGA/CSP封裝即為一級(jí)封裝，即把裸芯片通過(guò)wire bonding或是flip chip的方式與IC載板進(jìn)行互聯(lián)然后塑封即完成了封裝，見圖7：

圖 7 封裝等級(jí)

由于一級(jí)封裝時(shí)，IC裸芯片與IC載板互聯(lián)時(shí)一般采用高熔點(diǎn)的鉛錫合金，熔點(diǎn)在300度以上，高出二級(jí)封裝SMT焊接溫度260度40多度，所以對(duì)IC載板的耐熱性及CTE（α2 X、Y CTE 5-7ppm/℃）要求極高，這就是IC載板使用的板料必須為高剛性低CTE BT板料或FR5板料的原因，也是IC載板區(qū)別于PCB（α2 X、Y CTE 15ppm/℃）的第一大特點(diǎn)。

2.1.1 IC載板的類型

應(yīng)用于智能手機(jī)的消費(fèi)電子IC封裝主要考慮便攜性、低成本等因素，一般采用CSP封裝，封裝尺寸較小，而應(yīng)用于高性能計(jì)算機(jī)的IC封裝，主要考慮性能，一般采用較為大型的、I/O數(shù)非常多的BGA封裝。目前主流的IC載板類型見表格1：

2.1.2 IC載板精細(xì)線路加工技術(shù)

隨著IC設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的不斷縮小，IC尺寸也不斷縮小，從而導(dǎo)致了IC封裝時(shí)的Bump pitch也逐漸縮小，從下圖可以看出，當(dāng)IC Bump Pitch在150um以下時(shí)，常規(guī)的tenting酸蝕流程加工已經(jīng)無(wú)法滿足IC載板的精細(xì)線路加工要求，必須采用MSAP、SAP或是類似流程。這是IC載板區(qū)別于PCB的第二大特點(diǎn)。

圖 8 IC載板精細(xì)線路加工技術(shù)

2.2 WLP及SLP

晶圓級(jí)封裝(WLP，Wafer Level Package) 的一般定義為直接在晶圓上進(jìn)行大多數(shù)或是全部的封裝測(cè)試程序，之后再進(jìn)行切割(singulation)制成單顆組件。而重新分配(redistribution layer, RDL)與凸塊(bump)技術(shù)為其I/O布線的一般選擇，從而擺脫了對(duì)IC載板的依賴，封裝成本大大降低。WLP封裝具有較小封裝尺寸(CSP)，但同時(shí)，由于凸塊全部位于芯片下方，I/O數(shù)受到大大限制，所以，WLP封裝一般又稱為WLCSP或是Fan-In WLP，目前多用于低腳數(shù)消費(fèi)性IC的封裝應(yīng)用。

伴隨IC芯片I/O數(shù)目增加,對(duì)錫球間距(Ball Pitch)的要求更加嚴(yán)格, 目前Ball Pitch已經(jīng)發(fā)展至0.35mm，如果持續(xù)降低，將會(huì)造成下游PCB制造成本大大增加，于是Fan-Out WLP應(yīng)運(yùn)而生，見圖9：所謂Fan-Out，即I/O bump可以通過(guò)RDL層擴(kuò)展至IC芯片周邊，在滿足I/O數(shù)增大的前提下又不至于使Ball Pitch過(guò)于縮小從而影響PCB加工，見圖10。

圖 9 Fan-In and Fan-Out

圖 10 Fan-Out WLP

當(dāng)然，F(xiàn)an-Out WLP除了滿足不斷增加的I/O數(shù)的需求外，最大的特點(diǎn)就是其采用RDL層布線代替了傳統(tǒng)IC封裝所需的IC載板，從而大大降低了整體封裝厚度，這一點(diǎn)極大地適應(yīng)了消費(fèi)類電子尤其是智能手機(jī)對(duì)厚度的極端苛求�；�于此點(diǎn)，傳統(tǒng)的FC-CSP和FC-BGA封裝也逐漸向Fan-Out WLP過(guò)渡，當(dāng)然也可理解為Fan-Out WLP是Fan-In WLP和FC載板封裝的技術(shù)融合，見圖11�？梢奆an-Out WLP發(fā)展前景非同一般。

圖 11 Fan-Out WLP發(fā)展趨勢(shì)

伴隨Fan-Out WLP技術(shù)興起，相配套的PCB由于使用了IC載板的精細(xì)線路加工技術(shù)MSAP，其加工難度卻又遠(yuǎn)高于常規(guī)HDI。另外，由于IC芯片采用Fan-Out WLP后，已經(jīng)不再是裸芯片（IC載板是裸芯片封裝，這也是IC載板區(qū)別于PCB的第三大特點(diǎn)），所以與之配套的PCB并不能稱為載板，根據(jù)目前蘋果電子產(chǎn)業(yè)鏈的業(yè)內(nèi)人士所述，把采用Fan-Out WLP封裝和采用MSAP工藝加工的PCB稱為類載板PCB（SLP，Substrate-like PCB）。Apple 2016年發(fā)布的iPhone7的A10 Fusion已經(jīng)采用TSMC InFoWLP工藝，但PCB仍然采用酸蝕流程，據(jù)了解，2017的A11芯片也將延續(xù)TSMC InFoWLP工藝，并且已經(jīng)確定PCB采用MSAP流程，所以，類載板PCB的定義和技術(shù)指標(biāo)也變得更加具體，見表格2：

2.3 SiP

根據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體路線組織(ITRS)的定義，SiP是從封裝的角度出發(fā),對(duì)不同芯片進(jìn)行并排或疊加的封裝方式，將多個(gè)具有不同功能的有源電子元件與可選無(wú)源器件,以及諸如MEMS或者光學(xué)器件等其他器件優(yōu)先組裝到一起,實(shí)現(xiàn)一定功能的單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)封裝件,形成一個(gè)系統(tǒng)或者子系統(tǒng)。 

SiP可相當(dāng)于一系統(tǒng)載板的相關(guān)功能芯片、電路的總和,而依據(jù)不同的功能芯片進(jìn)行系統(tǒng)封裝,可以采簡(jiǎn)單的Side by Side的MCM(Multi-chip Module)技術(shù)（2D Package）,也可利用相對(duì)更復(fù)雜的多芯片封裝MCP(Multi-chip Package)技術(shù)、芯片堆疊(Stack Die)等不同難度與制作方式進(jìn)行系統(tǒng)組構(gòu)（2.5D和3D Package）。也就是說(shuō),在單一個(gè)封裝體內(nèi)不只可運(yùn)用多個(gè)芯片進(jìn)行系統(tǒng)功能建構(gòu),甚至還可將包含前述不同類型器件、被動(dòng)元件、電路芯片、功能模組封裝進(jìn)行堆疊,透過(guò)內(nèi)部連線或是更復(fù)雜的3D IC技術(shù)整合, 構(gòu)建成更為復(fù)雜的、完整的SiP系統(tǒng)功能。常見的SiP封裝樣式見表格3： 

從上表可以看出，SiP 載板其實(shí)就是IC載板的一種，其技術(shù)和規(guī)格和傳統(tǒng)BGA/CSP封裝相同。前面我們提到的Apple Watch S1芯片采用SiP封裝，其實(shí)是一種比較特殊的IC載板，既可稱作IC載板也可稱作PCB主板。

3. 未來(lái)電子制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及電子制造產(chǎn)業(yè)鏈整合

在后摩爾定律時(shí)代，正如前言所述，整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)鏈正沿著深度摩爾和超越摩爾兩條道路前行，也潛移默化的整合著整個(gè)電子制造產(chǎn)業(yè)鏈的布局。

3.1從深度摩爾角度看，F(xiàn)an-Out WLP將延續(xù)封測(cè)領(lǐng)域的“先進(jìn)制程”，晶圓廠搶食封裝廠訂單

隨著晶圓廠在先進(jìn)制程上的進(jìn)展，不斷滿足摩爾定律的要求，每一顆晶圓的尺寸在不斷縮小。然而，同制造技術(shù)不同，后道封測(cè)并不完全遵從摩爾定律的發(fā)展，換言之，直接在晶圓上的植球尺寸，不會(huì)滿足同比例縮小的技術(shù)演進(jìn)。對(duì)于封測(cè)廠商來(lái)說(shuō)，隨著I/O口的增多和晶圓尺寸的縮小，如何再滿足封裝管腳的引出是一大挑戰(zhàn)。而對(duì)于晶圓廠來(lái)說(shuō)這確是一個(gè)機(jī)遇。今年9月即將發(fā)布的紀(jì)念版iPhone A11將采用TSMC 10nm的InFoWLP封裝技術(shù)，而與之對(duì)應(yīng)的主板則會(huì)革命性地將載板的精細(xì)線路制造技術(shù)MSAP導(dǎo)入PCB行業(yè)，重新定義了電子制造產(chǎn)業(yè)鏈，由于原來(lái)的IC制造（TSMC）➔IC封裝（ASE）+IC載板➔SMT（Foxconn）+PCB的制造流程改為IC制造（TSMC）➔ SMT（Foxconn）+PCB，也即把IC封裝融入IC制造，PCB直接代替IC載板。見圖12：

圖 12 電子制造產(chǎn)業(yè)鏈整合趨勢(shì)1

如此，曾經(jīng)一度由封裝廠主導(dǎo)和掌控的IC封裝市場(chǎng)逐漸被IC制造企業(yè)晶圓廠吞食。各大晶圓廠如三星和Intel也在積極布局類似于InFoWLP的高端封裝技術(shù)，逐漸搶奪原有IC封裝廠的市場(chǎng)訂單。

3.2從超越摩爾角度看，SiP將重構(gòu)封測(cè)廠的地位和角色，向方案解決商轉(zhuǎn)變

Apple Watch S1芯片的SiP封裝，其整個(gè)電子制造產(chǎn)業(yè)鏈也由傳統(tǒng)的IC制造（TSMC）➔IC封裝（ASE）+IC載板➔SMT（Foxconn）+PCB縮短為IC制造（TSMC）➔IC封裝（ASE）+IC載板，也即把SMT流程全部整合入IC封裝，見圖13：

圖 13 電子制造產(chǎn)業(yè)鏈整合趨勢(shì)2

如此，封裝廠需要提供：從芯片封裝到系統(tǒng)集成的整體解決方案；具備系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測(cè)試能力；除了傳統(tǒng)芯片封裝之外，EMI防護(hù)，3D/嵌入式封裝結(jié)構(gòu)，嵌入式天線等高集成度方案的know how，都將由封裝廠來(lái)掌握。進(jìn)一步而言，封裝廠將從單純地為某一家IC設(shè)計(jì)企業(yè)提供芯片封裝方案，轉(zhuǎn)變成為下游的整機(jī)商提供完整的系統(tǒng)解決方案。

3.3 PLP（Panel Level Package）將會(huì)對(duì)原有電子制造產(chǎn)業(yè)鏈做最深刻的整合

隨著SiP封裝技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的元器件被埋入IC載板，原來(lái)的埋入被動(dòng)元件已經(jīng)司空見慣，埋入主動(dòng)元件如IC等正方興未艾，以進(jìn)一步提升集成度，見圖14。

圖 14 PLP

同時(shí)，隨著IC制造領(lǐng)域的光刻對(duì)位技術(shù)的逐步提升，晶圓尺寸逐漸由200mm、300mm向450mm、500mm的大拼板方向提升，所以越來(lái)越多的科技工作者認(rèn)為，如果直接將IC等主動(dòng)元件和其他被動(dòng)元件在PCB 大拼板加工過(guò)程中直接埋入，那將大大縮短整個(gè)電子制造產(chǎn)業(yè)鏈，見圖15。

圖 15 電子制造產(chǎn)業(yè)鏈整合趨勢(shì)3

目前已有多個(gè)電子行業(yè)從業(yè)單位開發(fā)出相應(yīng)的PLP產(chǎn)品，有PCB廠家AT&S的ECP（Embedded Components Packaging），有IC封裝廠家ASE的a-EASI（advanced-Embedded Assembly Solution Integration），也有IC載板廠家Kinsus的EAS（Embedded Actives Substrate）。

綜上所述，在后摩爾定律時(shí)代，加速電子產(chǎn)業(yè)鏈上下游的整合勢(shì)在必行，蘋果公司的iPhone A11 InFo WLP和Apple Watch S1 SiP正是這種趨勢(shì)的最佳見證。這也是PCB從業(yè)者在后摩爾時(shí)代所應(yīng)該看到和追隨的。無(wú)論是Fan-Out WLP的類載板還是SiP的載板均需要使用到MSAP和SAP等類似精細(xì)線路加工技術(shù)，所以當(dāng)前PCB行業(yè)的發(fā)展方向應(yīng)該相對(duì)明確，就是開發(fā)MSAP和SAP精細(xì)線路加工技術(shù)。同時(shí)，鑒于目前電子制造行業(yè)整合趨勢(shì)明顯，融合了SMT貼裝技術(shù)（Picking and Placing Machine）和PCB制造技術(shù)的埋入元器件技術(shù)將會(huì)同步得到發(fā)展，也是我們PCB行業(yè)遠(yuǎn)期重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。