扇入、扇出与中介层
锡球放在芯片边界之内还是之外?用一把折扇讲清 WLCSP、eWLB、InFO,以及第三种用法:中介层。
扇入、扇出、中介层
同样是 RDL,用法不同,名字也不同。分清这三种,你就看懂了大部分先进封装新闻。先把最容易糊涂的"扇入""扇出"讲透。
芯片为什么要封装一页把封装“把线摊开”统称为扇出,那是广义说法。在先进封装里,“扇入”和“扇出”是两种具体的做法,区别在于锡球放在芯片边界以内还是以外。
名字从哪来:先看一把折扇
"扇"就是折扇。折扇有一个特点:所有扇骨在扇轴那一头挤在一起(密),在扇面那一头张开(疏)。RDL 走线画出来正好是这个样子:一头连着挤在一起的芯片焊盘,另一头连着散开的锡球。
那"入"和"出"指什么?参照物只有一个:芯片的边缘。扇子往芯片里面张开,叫扇入;往芯片外面张开,叫扇出。看下面同一排焊盘的两种走法:
从整颗芯片看:四条边各有一把扇子
实际芯片四条边都有焊盘,所以是四把扇子同时张开。扇入的四把扇子朝中心收,扇出的四把扇子朝外放。
为什么需要扇出?因为扇入"地方不够"
扇入有个天生的限制:锡球只能放在芯片面积之内。封装做得跟芯片一样大,这是它最大的优点(最小、最便宜),也是它的天花板。
举个例子:一颗 4 mm × 4 mm 的芯片,按 0.4 mm 间距放锡球,最多放 10 × 10 = 100 个。可是芯片需要 300 个 I/O 怎么办?
办法 A:把芯片做大
硅片面积非常贵,为了放锡球而把芯片做大,等于用黄金铺停车场。不划算。
办法 B:用传统基板
打线或倒装到 BGA 基板上,基板帮你扩展。能用,但更厚、更贵、信号路径更长。
办法 C:扇出
在芯片四周补一圈便宜的塑封料,人造出更大的"地盘",RDL 再把线扇到这片地盘上放锡球。
扇出的核心思路:用便宜的塑料扩大面积,代替昂贵的硅面积。
扇出的"地盘"是怎么造出来的
扇入可以直接在原始晶圆上做 RDL。扇出不行,因为原始晶圆上芯片一颗挨一颗,旁边没有空地。所以要先把芯片切下来,拉开距离重新排好,再用塑封料"粘"成一张新晶圆,这叫重构晶圆(reconstituted wafer)。
① 切割
原始晶圆测试后切成一颗颗芯片,挑出好的。
② 拉开距离重新摆放
芯片面朝下贴到临时载板上,彼此留出空隙,这些空隙就是将来的扇出区。
③ 塑封
倒入塑封料把芯片包起来、固化,变成一张"塑料 + 芯片"的新晶圆。
④ 拆载板、翻面
芯片的焊盘面露出来,和周围塑封料齐平。
⑤ 做 RDL
在整张重构晶圆上做 RDL,走线可以跨过芯片边缘延伸到塑封料上。
⑥ 植球、切割
植锡球,再沿红线切开。每颗成品都比芯片大一圈,多出来的那圈放了锡球。
这是"先放芯片"(chip-first)的流程。也有"先做 RDL"(RDL-first / chip-last)的流程:先在载板上做好 RDL,再把芯片倒装上去,好处是 RDL 做坏了不会连带浪费好芯片。
扇入和扇出对比
| 扇入 Fan-in(WLCSP) | 扇出 Fan-out(eWLB / InFO 等) | |
|---|---|---|
| 走线方向 | 从芯片边缘往中心 | 从芯片边缘往外,越过芯片边界 |
| 锡球位置 | 全部在芯片下方 | 芯片下方和芯片外围都可以放 |
| 在哪做 RDL | 原始晶圆上直接做 | 先做重构晶圆,再做 RDL |
| 封装尺寸 | 等于芯片尺寸 | 比芯片大一圈 |
| I/O 上限 | 受芯片面积限制 | 可以按需要扩大面积 |
| 多颗芯片 | 只能一颗 | 可以把多颗芯片排在一起,用 RDL 互连 |
| 成本 | 最低 | 较高,但比"基板 + 打线/倒装"更薄、路径更短 |
| 典型产品 | 电源管理、射频开关、传感器、小 MCU | 手机处理器、射频模组、音频芯片、多芯片模组 |
扇入、扇出都一定要用 RDL 吗?
扇出:一定要
芯片四周的塑封料里一根导线都没有。信号要从芯片边缘走到外面的锡球,唯一的路就是 RDL。可以说,没有 RDL 就没有扇出。
扇入:绝大多数要
芯片焊盘通常在四周,需要 RDL 搬位置。少数芯片设计时就把焊盘排成了均匀的面阵列,可以直接在原焊盘上做凸点(bump on pad),只加保护层和 UBM,不用重新布线。
记法:扇入用 RDL"搬位置",扇出用 RDL"开疆土"。
三个常见误区
误区 1:"扇入就是线往一起收,越收越密"
不对。扇入的走线也是从密集的焊盘散开到疏的锡球,同样是"由密到疏"。"入"只表示扇子张开的方向朝芯片里面,跟疏密无关。
误区 2:"扇出封装里所有锡球都在芯片外面"
不对。大多数扇出封装是"扇入 + 扇出"混合:芯片正下方照样放锡球,放不下的才扇到外围。只要有一部分锡球在芯片范围外,就叫扇出。
误区 3:和电路里的"扇出系数"是一回事
不是。数字电路里的 fan-out 指一个输出能带多少个输入;PCB 布线里的 fan-out 指把 BGA 下面的焊盘引出来。名字都来自"扇子散开"这个形象,但含义各不相同。封装里的扇入/扇出只看走线相对芯片边缘的方向。
三种用法的剖面对比
最后把扇入、扇出和第三种用法"中介层"放在一起,从侧面切开看:
扇入 Fan-in(WLCSP)
RDL 把焊盘往芯片内部搬,球不超出芯片边界。封装和芯片一样大,最小最便宜。
缺点:芯片多大,就只能放多少球。适合 I/O 少的小芯片,比如电源管理、射频、传感器。
扇出 Fan-out(eWLB、InFO)
先把芯片嵌进一圈塑封料里,"人造"出更大的面积,RDL 再把线往外拉。球数不再受芯片大小限制。
还能省掉传统的封装基板,整体更薄。iPhone 的 A 系列处理器从 A10 起用的台积电 InFO 就是这一类。
一句话区分:扇入是"往里收",扇出是"往外拉",中介层是"多颗芯片共用一张 RDL 网"。