InFO-PoP:利用3D X-Ray與PFIB解析A14 AP封裝

作者 : 汎銓科技

透過高階3D X-Ray與PFIB等先進技術,汎銓科技分析Apple最新智慧型手機iPhone 12 Pro中搭載A14 Bionic應用處理器(AP)晶片所採用的InFO-PoP封裝技術...

雖然已經進入2021,「摩爾定律」(Moore’s Law)仍是主宰積體電路不斷往前研發的主要驅動力。傳統上,摩爾定律建構在製程微縮技術,電晶體數量每兩年會倍增一次,由1965到2021共66年來推算,今日電晶體的數量應該可以達到86億顆,這與蘋果(Apple)最新智慧型手機iPhone 12的應用處理器(Application Processor:AP)­­——A14之電晶體數量118億顆相去不遠。

不過,僅憑製程微縮已經無法符合傳統摩爾定律所預期的效能提升,取而代之的是「超越摩爾定律」(More than Moore),一個晶片所要考量的不再只是電晶體的關鍵尺寸與數量,還包括‘PPAC’四個項目——即‘Performance’(效能)、‘Power’(功耗)、‘Area’(晶片面積)以及‘Cost’(價格)。

為了達到這四項最佳化的組合,業界已研發出多項新技術——微影技術方面,7奈米(nm)製程開始使用深紫外光微影製程,預計在2nm製程以下甚至會導入高數值孔徑(High Numerical Aperture;High-NA)的深紫外光微影;電晶體的結構也會由目前的鰭式電晶體(FinFET)在3nm時轉變成奈米片(Nano-Sheet)電晶體(NSFET),之後甚至可能轉為互補式電晶體(Complementary FET;CFET)。

為了讓單位面積中的電晶體數量倍增,電晶體設計的標準單位高度也會跟著微縮;在封裝上更由傳統封裝轉變成先進的2.5D或3D的異質整合封裝,大大提升晶片效能,但同時也增加封裝的複雜度。為了讓資料不用因頻繁進出微處理器,浪費傳遞時間與功耗,電腦架構方面則引進了「記憶體內運算」(in-memory computing;IMC)的概念,提升晶片運算效能。另外,在另一側也有工程師正在研發突破傳統的量子電腦,或許在不久的將來會取得突破性的進展,取代目前的電腦。

過去近半個世紀以來,邏輯製程的研發歷程由最初的垂直整合製造大廠(IDM)英特爾(Intel)獨領風騷,90年代的多家爭鳴,競爭白熱化,挑戰英特爾不可動搖的霸主地位,經過多年競爭,優勝劣敗,近幾年又定於一尊。邏輯製程競爭雖稍有停歇,但更激烈的競爭戰場——開發先進封裝技術早在多年前就已展開,各家國際大廠都有自行研發的解決方案,並已實現在其高階產品中。例如英特爾提出的Foveros與嵌入式多晶片互連橋接(Embedded Multi-Die Interconnect Bridge;EMIB)、韓國三星電子(Samsung)提出的整合式疊層封裝(Integrated Package-on-Package;iPOP)與扇出型面板級封裝(Fan-Out Panel Level Packaging;FOPLP) & FOPLP-PoP,以及台積電(TSMC)提出的3D Fabric平台(包含SoIC、InFO、CoWoS…等等)。

雖然先進封裝內部結構的尺寸(大約1到數十微米,10−6m)遠比最新的先進製程(5nm, 10−9m)大三個數量級,但由於封裝內部晶片高度整合與複雜化,分析難度不似單一晶片來得單純與簡單,必須跳脫舊思維,與時俱進,以新的分析流程與工具來解析先進封裝的神秘面紗。為此,汎銓科技(MSSCORPS CO.)分析Apple iPhone 12 Pro中搭載A14仿生(Bionic)應用處理器(AP)晶片的SoC。

A14應用處理器採用台積電最新的5nm製程節點製造,晶片相關資訊可以參考WiKi Chip,其整合的SoC封裝採用TSMC 3D Fab-ric中的整合式扇出型疊層封裝(Integrated Fan-Out Package-on-Package;InFO-PoP)技術。汎銓科技的分析流程是先採用最新的高階3D X-Ray,針對SoC的結構進行非破壞的高解析全空間斷層掃描(Full-Space Tomography),了解其內部結構後,再針對特定結構利用具有大面積切削能力的「電漿聚焦離子束」(PFIB)掃描電子顯微鏡,搭配其自家研發的特殊工法與拍攝條件,清楚呈現InFO-PoP的內部結構。

為此,汎銓科技(MSSCORPS CO.)分析Apple iPhone 12 Pro中搭載A14仿生(Bionic)應用處理器(AP)晶片的SoC。A14應用處理器採用台積電最新的5nm製程節點製造,晶片相關資訊可以參考WiKi Chip,其整合的SoC封裝採用TSMC 3D Fab-ric中的整合式扇出型疊層封裝(Integrated Fan-Out Package-on-Package;InFO-PoP)技術。汎銓科技的分析流程是先採用最新的高階3D X-Ray,針對SoC的結構進行非破壞的高解析全空間斷層掃描(Full-Space Tomography),了解其內部結構後,再針對特定結構利用具有大面積切削能力的「電漿聚焦離子束」(PFIB)掃描電子顯微鏡,搭配其自家研發的特殊工法與拍攝條件,清楚呈現InFO-PoP的內部結構。

在進入分析結果之前,為了先對InFO-PoP封裝有基本的認識,汎銓科技利用動畫示意圖介紹其相關的結構。圖1為InFO-PoP在某一截面(XZ plane)的示意圖,封裝體中主要的結構包含:(1) A14 Bionic AP;(2) 三星LPDDR4X裸晶;(3) 焊線(Bondwire);(4) 記憶體基板(Memory Substrate);(5) 上層鍚球(Upper Solder Ball);(6) 銅柱(Upper Cu Pillar);(7) 重新佈線(RDL),以及(8) 底層鍚球(Bottom Solder Ball)。上述號碼所代表的結構也都將沿用在整篇文章中。

圖1:台積電InFO-PoP截面(YZ)動畫示意圖(參考TSMC官方網站),示意圖內部尺寸/相關位置與實際試片並無直接關係。以A14正面標誌定義XYZ三軸方向。

A14 Bionic SoC的光學顯微鏡影像

此次分析的A14 Bionic SoC是由Apple官方網站所購買的iPhone 12 Pro拆解下來的(圖2a & b),從Apple公開的資訊以及其它已發表的分析技術文章中可以得知,此SoC主要包含一顆台積電最新5奈米製程節點的應用處理器(A14 Bionic AP),以及4顆由韓國三星製造共6GB的LPDDR4X記憶體(K3UHCHC0MM-VGCL RAM),SoC封裝採用台積電開發的InFO PoP技術。

圖2:(a & b) Apple iPhone 12 Pro中所採用的A14 Bionic SoC光學顯微鏡照片。

A14 Bionic SoC的3D X-Ray分析

為了分析先進封裝內部結構而又不至於破壞封裝體的最佳方式就屬具有高空間解析度的2D/3D X-Ray。汎銓科技於2020年底購置的最新高階3D X-Ray,可以對整支iPhone 12 Pro手機進行全空間(360度)的斷層掃描,其空間解析度並可達到目前業界最精密的500nm。圖3a是主板的X-Ray斷層圖,黃色虛線標示為本次分析的重點,A14 Bionic SoC。3D X-Ray最強大的功能是在全空間的掃描後進行,可以任意截取特定截面的資訊加以分析,如圖3 P1– P3就是在XY平面但不同Z高度的X-Ray斷層圖(相關位置標示於動畫示意圖中),由上到下,不同的內部結構(標示號碼與圖1相同)可以一一地被呈現出來。

圖3a:搭載A14 Bionic SoC的主板,黃色虛線標示為A14 Bionic SoC (InFO-PoP)。圖3b–d:InFO-PoP在XY平面但不同X高度的X-Ray斷層圖,相關位置標示於動畫示意圖中,內部結構標示與圖1相同。

圖4a為較大倍率的InFO-PoP X-Ray斷層圖,圖4b為圖4a綠色虛線方框的放大圖,搭配不同視角的3D重構影像(圖4c & d),我們可以清楚觀察到更細緻的內部結構,例如InFO-PoP各層之間的接合狀況(4-5-6-7-8),甚至錫球(8)內的小孔洞在高解析的X-Ray分析中也無所遁形,錫球內的孔洞在之前都有被報導過,但應該仍在規格內,並不影響整體手機的運作。除了錫球外,3D X-Ray並沒有發現常會出現在先進封裝中的圖4C (4)凸塊。

圖4:(a) InFO-PoP的X-Ray斷層圖;(b) 圖a綠色虛線方框的放大X-Ray斷層圖;(c & d) 不同視角的InFO-PoP 3D重構影像;(e) 圖a黃色虛線方框的放大傾角X-Ray照片。

至於4顆DRAM的堆疊與焊線(3)狀況,我們可以利用X-Ray傾角的方式拍攝,讓晶片堆疊與打線更容易被觀察到,由圖4c可以清楚看到,左右兩側DRAM是以兩兩堆疊再以打線的方式連結到其下方的記憶體基板(4)。

在實際InFO-PoP的封裝體中,除了圖4看到多層次的主架構外,還會加上一顆先進製程的應用處理器(1)、4顆DRAM (2)以及數個被動元件 (圖4a左右兩側),如果設計不當,例如沒有考量各種材料的機械性質與熱膨脹係數(CTE),因為應力/溫度因素,封裝內部將會發生嚴重的分層(Delamination)或翹曲(Warpage)問題,這些問題都沒有在這次分析的A14 InFO-PoP中發現,由這一點也不得不佩服台積電除了在開發邏輯製程時程與良率的領先,先進封裝的技術也相當令人驚艷的。

PFIB橫截面切削與分析

圖3 & 4結果可以清楚了解,3D X-Ray確實是提供InFO-PoP內部結構相當重要的工具,接下來如果要精準分析特定截面,且空間解析度要比3D X-Ray高至少一個數量級,則需要仰賴FIB/SEM。由於InFO-PoP整個結構的深度超過500微米,銅柱直徑也有200-300微米,使用一般FIB製備截面幾乎是不可能的任務(切削時間超過12小時外,且會有嚴重的材料回填狀況,影響判讀)。為此,汎銓科技利用具有大面積切削能力的PFIB,搭配自我研發的特殊工法與拍攝條件,輕鬆、精準、且清楚地呈現InFO-PoP的內部截面結構。

圖5:(a) InFO-PoP截面動畫示意圖;(b) PFIB製備的InFO-PoP截面SEM影像;(c–f) 圖b各區域放大的SEM影像。白色尺規: 50 µm。

圖5b–f是利用PFIB製備InFO-PoP內部截面的SEM影像。由這些圖可以清楚看到,使用汎銓的工法,即使利用破壞力較大的PFIB製備大面積截面,表面幾乎看不到刀痕,且影像品質遠優於使用一般SEM拍照條件的影像,呈現出更細微的結構,如圖5e中記憶體基板 (4) 與底層鍚球 (8) 接合處、化學鍍銅(Electroless Plating Copper)與電鍍銅(Electro Plating Copper)介面,以及化學鍍銅與undefill介面的粗糙狀況,都能清楚的被觀察到。相關介面標示於更高倍率的SEM影像中(圖6),(I)為化學鍍銅層,(II)為電鍍銅層,(III)為金屬互化物 (Inter-metallic compound;IMC),黃色箭號標示化學鍍銅與underfill的介面。

圖6:圖5e的局部放大SEM影像。(I) 為化學鍍銅層,(II) 為電鍍銅層,(II) 為金屬互化物(IMC),黃色箭號標示化學鍍銅與填充物的介面。

另一個有趣的觀察是,圖5f中,由RDL金屬線斷面的方向(黃色虛線梯形,上窄下寬),我們猜測此InFO-PoP應是屬於RDL優先Fan-Out製程。

結論

在追求超越摩爾定律PPAC最佳效能的驅動下,各國際大廠先進封裝的競爭只會更趨激烈,封裝結構複雜度增加,但尺寸更微型化,因此,分析上更需要導入新的想法與工具,汎銓科技將持續分析各類先進製程產品,並介紹最新拆解與分析技術。

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