《矽說》在摩爾定律何去何從之二：More Moore or More Than Moore?中分析了封裝技術在IC產業中將扮演越來越關鍵的角色，甚至將成為未來技術進展的方向。很高興我們能請到行業資深前輩Aaron Yang（email: forever0214@qq.com）給我們帶來這篇更深入的分析。
1. 前言
摩爾定律作為電子製造產業鏈的金科玉律，一直屹立於科技發展的前沿，給整個電子製造產業鏈指明瞭非常明晰的發展方向，可謂厚澤萬物。但近些年，由於IC製造過程中使用的光刻技術（Photolithography）相對於摩爾定律顯得相對滯後，IC業界給予厚望的EUV(Extreme UltraViolet)光刻裝置也在緊鑼密鼓的研發中，技術成熟度尚達不到量產的水平，使得IC製造成本在晶圓節點（Wafer Node）不斷縮小的情況下，成本呈現指數增長；另一方面，2017年，蘋果A11/A10X、高通驍龍835、三星Exynos 8895、華為Kirin970和聯發科Helio X30蓄勢待發，晶圓節點已經發展到10nm量產的階段，已經非常接近FinFET製程的物理極限5nm，也即即便EUV光刻裝置可以量產使用，也無法改變摩爾定律即將死亡的趨勢。那接下來電子製造行業該何去何從？業界和學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製造角度的摩爾定律）和more than moore（超越摩爾，IC封裝角度的摩爾定律），見圖1：
圖 1 後摩爾定律時代Roadmap
何謂深度摩爾（more moore，IC製造角度的摩爾定律），是延續CMOS（FinFET）的整體思路，在器件結構、溝道材料、連線導線、高介質金屬柵、架構系統、製造工藝等等方面進行創新研發，沿著摩爾定律一路scaling（每兩到三年左右，電晶體的數目翻倍），見圖2 Logic IC的roadmap：
圖 2 Wafer Node Roadmap
目前深度摩爾一般適用於數位電路，如智慧手機中的處理器（AP）和基帶晶片（Base Band），均屬於SoC的範疇。前面我們也提到，由於FinFET的物理極限是5nm，那麼發展到5nm後如何繼續呢？那就必須打破FinFET的結構和材料限制，開發和研究新的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），主要側重於功能的多樣化，是由應用需求驅動的。之前積體電路產業一直延續摩爾定律而飛速發展，滿足了同時期人們對計算、儲存的渴望與需求。但晶片系統效能的提升不再靠單純的暴力電晶體scaling，而是更多地依靠電路設計以及系統演算法優化，同時整合度的提高不一定要靠暴力地把更多模組放到同一塊晶片上，而是可以靠封裝技術來實現整合。模擬/射頻/混合訊號模組等不需要最先進工藝的模組可以用較成熟且廉價的工藝實現（比如為模擬射頻工程師所喜聞樂見的65nm），而數字模組則可以由先進工藝實現，不同模組可以用封裝技術整合在同一封裝中，而模組間的通訊則使用高速介面。這種整合方式即異質整合(heterogeneous integration)，是目前在工業界和學界都非常火的SiP，不但可以減低成本，而且可以更加整合化，見圖3（b）。智慧手機中的射頻前端模組、WiFi模組、藍芽模組和NFC模組等類比電路均適用於超越摩爾的情景。
回頭再看摩爾定律的兩個方向，無非就是SoC和SiP的差異，一個是IC設計角度,一個是IC封裝角度，見圖3，也可是數位電路與類比電路的差異。這樣，再去理解SoC和SiP何其簡單。
圖 3 SoC與SiP
那我們再把視線從理論預測轉向實際應用，作為消費電子時代的弄潮兒蘋果公司自然是大家討論技術走向的焦點。隨著蘋果公司釋出iPhone 10週年的臨近，紀念版iPhone的訊息更是紛至沓來，讓人目不暇接，其最新技術走向更是值得大家分析揣測。
首先就是2016年9月iPhone 7的A10 Fusion首次採用TSMC 16nm 的InFoWLP封裝技術，完全取代了以往的FCCSP的封裝技術，而今年9月即將釋出的紀念版iPhone A11將採用TSMC 10nm的InFoWLP封裝技術，而與之對應的主機板則會革命性地將載板的精細線路製造技術MSAP匯入PCB行業，重新定義了電子製造產業鏈，由於原來的IC製造（TSMC）➔IC封裝（ASE）+IC載板➔SMT（Foxconn）+PCB的製造流程改為IC製造（TSMC）➔ SMT（Foxconn）+PCB，也即把IC封裝融入IC製造，PCB直接代替IC載板。那我們不難發現，這種是基於深度摩爾由於AP 升級（16nm至10nm）而帶來的革命性改變。
其次是蘋果Apple Watch的釋出，其最具特色的就是S1晶片（見圖4）的封裝技術，即SiP封裝技術（System in Package），不但把AP應用處理器（已經整合了SRAM記憶體）、NAND快閃記憶體、各種感測器、特殊用途晶片、IO及功耗管理IC封裝到了一起，而且還把其他被動原件均整合在一塊載板上，在這裡其主機板客串了兩個角色：IC載板和PCB主機板，其整個電子製造產業鏈也由傳統的IC製造（TSMC）➔IC封裝（ASE）+IC載板➔SMT（Foxconn）+PCB縮短為IC製造（TSMC）➔IC封裝（ASE）+IC載板，也即把SMT流程全部整合入IC封裝，並採用IC載板代替PCB主機板。從此我們也不難看出，這種就是基於超越摩爾由於封裝技術的革新而帶來的革命性整合。
圖 4 Apple Watch S1
從以上蘋果公司最新的技術應用分析，我們可以看出，蘋果、臺積電、日月光和富士康四親兄弟分別代表著IC設計、IC製造、IC封裝和SMT四個領域正忠實地沿著深度摩爾和超越摩爾的路線前行，引領者整個電子製造行業的發展與變革，同時也潛移默化地影響著PCB製造者和IC載板製造者。作為PCB製造的從業者，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載板技術方面談起，更詳細地介紹Fan-Out WLP、SLP和SiP，為PCB產業後續發展和遠景規劃提供建議。
2. IC封裝技術發展趨勢（含IC載板、Fan-Out WLP、SLP和SiP）
電子製造產業鏈包含前端的高階電子產業鏈（IC設計、IC製造和IC封裝）和後端的SMT貼件及組裝，所以IC封裝技術屬於高階電子製造領域極其重要的一環，其技術發展趨勢同樣受摩爾定律的影響，當然現階段同樣受困於摩爾定律的侷限性影響。隨著高速資料傳輸的需求及無線技術的飛速發展，沿著深度摩爾的方向，晶片尺寸不斷縮小，I/O數不斷增加，傳統的IC封裝正逐漸由Lead frame、Wire Bonding轉向Flip Chip，見圖5，從而避免互聯通道過長對資料傳輸通道造成的訊號損失；當IC製造受到諸多限制因素，摩爾定律逐漸趨緩時，人們不得不開闢超越摩爾的發展道路，從最初的單個IC對應單個載板的封裝走向多個IC對應單個載板的SiP封裝（2D、2.5D、3D封裝）。
圖 5 封裝技術發展Timeline
為了更詳細的瞭解IC封裝技術及其所包含的IC載板技術，我們需要將視角由摩爾定律轉向IC實際應用。縱觀ICT時代，電子製造技術的主要驅動來源於兩個方面：第一，以智慧手機為核心的消費電子，第二，以大資料雲端計算為核心的高效能運算機，不同的應用對應不同的IC封裝和IC載板，見圖6：
圖 6 IC封裝應用及演變趨勢
從圖中我們也可看出，主流IC封裝主要包括3個大類：傳統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BGA/CSP封裝及IC載板
廣義上的封裝包括兩部分，一級封裝IC載板和二級封裝PCB（SMT），我們所說傳統的BGA/CSP封裝即為一級封裝，即把裸晶片通過wire bonding或是flip chip的方式與IC載板進行互聯然後塑封即完成了封裝，見圖7：
圖 7 封裝等級
由於一級封裝時，IC裸晶片與IC載板互聯時一般採用高熔點的鉛錫合金，熔點在300度以上，高出二級封裝SMT焊接溫度260度40多度，所以對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載板區別於PCB（α2 X、Y CTE 15ppm/℃）的第一大特點。
2.1.1 IC載板的型別
應用於智慧手機的消費電子IC封裝主要考慮便攜性、低成本等因素，一般採用CSP封裝，封裝尺寸較小，而應用於高效能運算機的IC封裝，主要考慮效能，一般採用較為大型的、I/O數非常多的BGA封裝。目前主流的IC載板型別見表格1：
2.1.2 IC載板精細線路加工技術
隨著IC設計節點的不斷縮小，IC尺寸也不斷縮小，從而導致了IC封裝時的Bump pitch也逐漸縮小，從下圖可以看出，當IC Bump Pitch在150um以下時，常規的tenting酸蝕流程加工已經無法滿足IC載板的精細線路加工要求，必須採用MSAP、SAP或是類似流程。這是IC載板區別於PCB的第二大特點。
圖 8 IC載板精細線路加工技術
2.2 WLP及SLP
晶圓級封裝(WLP，Wafer Level Package) 的一般定義為直接在晶圓上進行大多數或是全部的封裝測試程式，之後再進行切割(singulation)製成單顆元件。而重新分配(redistribution layer, RDL)與凸塊(bump)技術為其I/O佈線的一般選擇，從而擺脫了對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，由於凸塊全部位於晶片下方，I/O數受到大大限制，所以，WLP封裝一般又稱為WLCSP或是Fan-In WLP，目前多用於低腳數消費性IC的封裝應用。
伴隨IC晶片I/O數目增加,對錫球間距(Ball Pitch)的要求更加嚴格, 目前Ball Pitch已經發展至0.35mm，如果持續降低，將會造成下游PCB製造成本大大增加，於是Fan-Out WLP應運而生，見圖9：所謂Fan-Out，即I/O bump可以通過RDL層擴充套件至IC晶片周邊，在滿足I/O數增大的前提下又不至於使Ball Pitch過於縮小從而影響PCB加工，見圖10。
圖 9 Fan-In and Fan-Out
圖 10 Fan-Out WLP
當然，Fan-Out WLP除了滿足不斷增加的I/O數的需求外，最大的特點就是其採用RDL層佈線代替了傳統IC封裝所需的IC載板，從而大大降低了整體封裝厚度，這一點極大地適應了消費類電子尤其是智慧手機對厚度的極端苛求。基於此點，傳統的FC-CSP和FC-BGA封裝也逐漸向Fan-Out WLP過渡，當然也可理解為Fan-Out WLP是Fan-In WLP和FC載板封裝的技術融合，見圖11。可見Fan-Out WLP發展前景非同一般。
圖 11 Fan-Out WLP發展趨勢
伴隨Fan-Out WLP技術興起，相配套的PCB由於使用了IC載板的精細線路加工技術MSAP，其加工難度卻又遠高於常規HDI。另外，由於IC晶片採用Fan-Out WLP後，已經不再是裸晶片（IC載板是裸晶片封裝，這也是IC載板區別於PCB的第三大特點），所以與之配套的PCB並不能稱為載板，根據目前蘋果電子產業鏈的業內人士所述，把採用Fan-Out WLP封裝和採用MSAP工藝加工的PCB稱為類載板PCB（SLP，Substrate-like PCB）。Apple 2016年釋出的iPhone7的A10 Fusion已經採用TSMC InFoWLP工藝，但PCB仍然採用酸蝕流程，據瞭解，2017的A11晶片也將延續TSMC InFoWLP工藝，並且已經確定PCB採用MSAP流程，所以，類載板PCB的定義和技術指標也變得更加具體，見表格2：
2.3 SiP
根據國際半導體路線組織(ITRS)的定義，SiP是從封裝的角度出發,對不同晶片進行並排或疊加的封裝方式，將多個具有不同功能的有源電子元件與可選無源器件,以及諸如MEMS或者光學器件等其他器件優先組裝到一起,實現一定功能的單個標準封裝件,形成一個系統或者子系統。
SiP可相當於一系統載板的相關功能晶片、電路的總和,而依據不同的功能晶片進行系統封裝,可以採簡單的Side by Side的MCM(Multi-chip Module)技術（2D Package）,也可利用相對更復雜的多晶片封裝MCP(Multi-chip Package)技術、晶片堆疊(Stack Die)等不同難度與製作方式進行系統組構（2.5D和3D Package）。也就是說,在單一個封裝體內不只可運用多個晶片進行系統功能建構,甚至還可將包含前述不同型別器件、被動元件、電路晶片、功能模組封裝進行堆疊,透過內部連線或是更復雜的3D IC技術整合, 構建成更為複雜的、完整的SiP系統功能。常見的SiP封裝樣式見表格3：
從上表可以看出，SiP 載板其實就是IC載板的一種，其技術和規格和傳統BGA/CSP封裝相同。前面我們提到的Apple Watch S1晶片採用SiP封裝，其實是一種比較特殊的IC載板，既可稱作IC載板也可稱作PCB主機板。
3. 未來電子製造技術的發展趨勢及電子製造產業鏈整合
在後摩爾定律時代，正如前言所述，整個電子產業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電子製造產業鏈的佈局。
3.1從深度摩爾角度看，Fan-Out WLP將延續封測領域的“先進製程”，晶圓廠搶食封裝廠訂單
隨著晶圓廠在先進製程上的進展，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，同製造技術不同，後道封測並不完全遵從摩爾定律的發展，換言之，直接在晶圓上的植球尺寸，不會滿足同比例縮小的技術演進。對於封測廠商來說，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。而對於晶圓廠來說這確是一個機遇。今年9月即將釋出的紀念版iPhone A11將採用TSMC 10nm的InFoWLP封裝技術，而與之對應的主機板則會革命性地將載板的精細線路製造技術MSAP匯入PCB行業，重新定義了電子製造產業鏈，由於原來的IC製造（TSMC）➔IC封裝（ASE）+IC載板➔SMT（Foxconn）+PCB的製造流程改為IC製造（TSMC）➔ SMT（Foxconn）+PCB，也即把IC封裝融入IC製造，PCB直接代替IC載板。見圖12：
圖 12 電子製造產業鏈整合趨勢1
如此，曾經一度由封裝廠主導和掌控的IC封裝市場逐漸被IC製造企業晶圓廠吞食。各大晶圓廠如三星和Intel也在積極佈局類似於InFoWLP的高階封裝技術，逐漸搶奪原有IC封裝廠的市場訂單。
3.2從超越摩爾角度看，SiP將重構封測廠的地位和角色，向方案解決商轉變
Apple Watch S1晶片的SiP封裝，其整個電子製造產業鏈也由傳統的IC製造（TSMC）➔IC封裝（ASE）+IC載板➔SMT（Foxconn）+PCB縮短為IC製造（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 電子製造產業鏈整合趨勢2
如此，封裝廠需要提供：從晶片封裝到系統整合的整體解決方案；具備系統設計和測試能力；除了傳統晶片封裝之外，EMI防護，3D/嵌入式封裝結構，嵌入式天線等高整合度方案的know how，都將由封裝廠來掌握。進一步而言，封裝廠將從單純地為某一家IC設計企業提供晶片封裝方案，轉變成為下游的整機商提供完整的系統解決方案。
3.3 PLP（Panel Level Package）將會對原有電子製造產業鏈做最深刻的整合
隨著SiP封裝技術的不斷髮展，越來越多的元器件被埋入IC載板，原來的埋入被動元件已經司空見慣，埋入主動元件如IC等正方興未艾，以進一步提升整合度，見圖14。
圖 14 PLP
同時，隨著IC製造領域的光刻對位技術的逐步提升，晶圓尺寸逐漸由200mm、300mm向450mm、500mm的大拼板方向提升，所以越來越多的科技工作者認為，如果直接將IC等主動元件和其他被動元件在PCB 大拼板加工過程中直接埋入，那將大大縮短整個電子製造產業鏈，見圖15。
圖 15 電子製造產業鏈整合趨勢3
目前已有多個電子行業從業單位開發出相應的PLP產品，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，在後摩爾定律時代，加速電子產業鏈上下游的整合勢在必行，蘋果公司的iPhone A11 InFo WLP和Apple Watch S1 SiP正是這種趨勢的最佳見證。這也是PCB從業者在後摩爾時代所應該看到和追隨的。無論是Fan-Out WLP的類載板還是SiP的載板均需要使用到MSAP和SAP等類似精細線路加工技術，所以當前PCB行業的發展方向應該相對明確，就是開發MSAP和SAP精細線路加工技術。同時，鑑於目前電子製造行業整合趨勢明顯，融合了SMT貼裝技術（Picking and Placing Machine）和PCB製造技術的埋入元器件技術將會同步得到發展，也是我們PCB行業遠期重點關注物件。