汽車 OEM 廠商正在以各自的速度加速汽車的電氣化，為此它們都開(kāi)始擁抱全新的封裝方法，以便在這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越大的市場(chǎng)里實(shí)現(xiàn)自身的差異化。

wirebond 曾經(jīng)是這個(gè)市場(chǎng)的支配者，那時(shí)候大多數(shù)芯片都相對(duì)來(lái)說(shuō)不太復(fù)雜而且產(chǎn)品周期長(zhǎng)——有時(shí)候長(zhǎng)達(dá) 5 到 7 年。但隨著汽車制造商開(kāi)始規(guī)劃發(fā)展越來(lái)越快的駕駛輔助或完全自動(dòng)駕駛未來(lái)，他們也開(kāi)始考慮使用先進(jìn)封裝來(lái)保持自己的技術(shù)優(yōu)勢(shì)以及更快速地將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

“我們看到在汽車應(yīng)用的封裝選擇和考慮上有越來(lái)越多的新的不同選擇。”STATS ChipPAC 產(chǎn)品技術(shù)營(yíng)銷副總監(jiān) Edward Fontanilla 說(shuō)，“其中一個(gè)例子是用于 77GHz 先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的高頻雷達(dá)設(shè)備。這些高頻雷達(dá)設(shè)備需要遠(yuǎn)遠(yuǎn)更加緊湊的 RF 信號(hào)隔離和激進(jìn)的性能目標(biāo)。fan-out 晶圓級(jí)封裝（FOWLP），尤其是嵌入式晶圓級(jí)球柵陣列（eWLB），正在變成人們普遍選擇的封裝技術(shù)?！?/p>

圖 1：恩智浦的 FOWLP 雷達(dá)模塊，來(lái)自：恩智浦

Fontanilla 指出了在汽車電子器件中使用 fan-out 方法的一些優(yōu)點(diǎn)，其中包括：

不再需要層壓基板（laminate substrate），而代之以銅再分布層（RDL）。這種 RDL 具有更短的連接距離，從而可以顯著降低阻抗。

和許多先進(jìn)封裝方法一樣，它可以將外形尺寸做得更小，而且可使互連中的寄生效應(yīng)更低，這對(duì)于高頻應(yīng)用而言是至關(guān)重要的。

晶圓級(jí)工藝的公差更低，可以實(shí)現(xiàn)更好的產(chǎn)量，對(duì)于高頻應(yīng)用而言具有成本效益。

和所有的 fan-out 技術(shù)一樣，它提供了更大的設(shè)計(jì)靈活性，因?yàn)槠渲械牟季€干擾更少，且 RF 信道也有足夠的隔離。

其他人也談到了汽車制造商對(duì)先進(jìn)封裝的興趣的類似增長(zhǎng)。

“汽車制造商本身就對(duì)此直接感興趣，尤其是一級(jí)廠商?！盇SE Europe 高級(jí)技術(shù)總監(jiān) Jean-Marc Yannou 說(shuō)，“奧迪這樣的 OEM 認(rèn)識(shí)到汽車的差異化越來(lái)越多地來(lái)自于電子器件，因?yàn)槠囍圃焐桃呀?jīng)解決了內(nèi)燃機(jī)的大部分問(wèn)題。所以它們往電力或混合動(dòng)力方向發(fā)展。這是一個(gè)差異化因素。另一個(gè)差異化因素是一直走高端路線的汽車。消費(fèi)者想在汽車?yán)镉蒙洗罅啃」ぞ撸热缒軌虬匆粋€(gè)按鈕就能通過(guò)電來(lái)調(diào)節(jié)座椅、加熱座椅、打開(kāi)行李箱或天窗。”

他指出汽車 OEM 非常清楚可以通過(guò)電子組件來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車的差異化。他們也理解他們無(wú)法通過(guò)使用一種不同的 CMOS 技術(shù)來(lái)做到差異化，這樣它們?cè)谂f節(jié)點(diǎn)和遷移到 10/7nm 節(jié)點(diǎn)就沒(méi)什么較大的差別了。對(duì)于汽車應(yīng)用，規(guī)模還不夠大，不足以在器件尺寸縮減時(shí)顯著降低價(jià)格。

Yannou 說(shuō)：“投資/資本性支出的水平如此之高，以至于汽車制造商需要非常非常高的產(chǎn)量才能證明這個(gè)舉措的合理性。它們會(huì)跟隨的，但它們很好地跟隨的是無(wú)線行業(yè)。在新一代 CMOS 技術(shù)節(jié)點(diǎn)的采用上，它們?nèi)匀贿€落后 5 年時(shí)間。”

但是，當(dāng)涉及封裝時(shí)，則完全是另一幅圖景。

他說(shuō)：“過(guò)去，各個(gè)硅節(jié)點(diǎn)都是一樣的，我們只是無(wú)線行業(yè)的跟隨者?，F(xiàn)在，我們做了越來(lái)越多實(shí)際上特定于汽車行業(yè)的事情。奧迪曾說(shuō)半導(dǎo)體的所有差異化（這本身就是電子器件以及廣義上的汽車的差異化）都將會(huì)是封裝。通過(guò)縮減整體尺寸，有了更好的散熱和更低的電損耗，封裝就可被用于將性能提高到更高的水平?！?/p>

盡管電子器件封裝的尺寸可能是一個(gè)設(shè)計(jì)因素，但鑒于汽車內(nèi)部空間很大，所以真正的重點(diǎn)在于隱藏電路的能力。Yannou 說(shuō)：“電子器件必須不能讓用戶的眼睛看到，小型化是一個(gè)重要因素。”

什么類型的封裝？

但是，這并不是簡(jiǎn)單地用一種技術(shù)替換另一種技術(shù)，還需要考慮一些因素，比如這些器件的使用方式、使用環(huán)境、哪種封裝技術(shù)最好。當(dāng)前廠商基本都押注 fan-out，但也可能轉(zhuǎn)向，從而將其它封裝技術(shù)納入進(jìn)來(lái)。

“使用環(huán)境是至關(guān)重要的，”SEMI 協(xié)同技術(shù)平臺(tái)副總裁 Tom Salmon 說(shuō)，“你需要思考它是用在引擎蓋下還是信息娛樂(lè)系統(tǒng)中，以及在 2025 年情況會(huì)怎樣。然后，你的封裝需要什么材料？因?yàn)橐呀?jīng)不再是過(guò)去那樣有一級(jí)和二級(jí)玩家定義接下來(lái) 20 年的發(fā)展，所以情況可能非常不同?！?/p>

因?yàn)椴⒎撬性夹枰獮槊糠N新應(yīng)用進(jìn)行改變，所以封裝也提供了一些靈活性。作為現(xiàn)已停止的國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖（International Technology Roadmap For Semiconductors）的后繼項(xiàng)目，異構(gòu)集成發(fā)展路線圖（Heterogeneous Integration Road Map）的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)目前正在研究汽車等不同市場(chǎng)的一系列參考平臺(tái)。針對(duì)這些市場(chǎng)，不同的工作團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā) 2.5D、3D 和 fan-out 技術(shù)的指南。

Salmon 說(shuō)：“其目標(biāo)是為開(kāi)發(fā)正確的器件創(chuàng)造最優(yōu)的平臺(tái)，并且仍然可以靈活地使用晶圓級(jí)封裝或芯片級(jí)封裝或針對(duì)特定環(huán)境優(yōu)化的任何技術(shù)?！?/p>

fan-out 最近已經(jīng)得到了非常多的關(guān)注。TechSearch International 總裁 Jan Vardaman 稱 fan-out 晶圓級(jí)封裝是一種顛覆性技術(shù)，因?yàn)樗恍枰谆騻鹘y(tǒng)的底部填充膠，而且在代工廠或 OSAT 就能完成所有封裝。但她指出它確實(shí)還需要芯片-封裝的協(xié)同設(shè)計(jì)。

“因?yàn)樾阅艿脑?，雷達(dá)模組就使用了 fan-out 晶圓級(jí)封裝?！盫ardaman 說(shuō)，“這是 RF，所以很低的寄生效應(yīng)是非常重要的。如今也有很多 wirebond 和 QFN（Quad Flat No-lead Package，方形扁平無(wú)引腳封裝）。更多引腳的微控制器的工藝正從 wirebond 遷移到倒裝芯片，而且在各個(gè)部件中還有一些系統(tǒng)級(jí)封裝模塊?！?/p>

圖 2：fan-in 與 fan-out，來(lái)自：TechSearch International/STATS ChipPAC

可靠性與未知

在這種如何將芯片做到一起的轉(zhuǎn)變之下，還有對(duì)可靠性的擔(dān)憂，而可靠性一直以來(lái)都是汽車等安全性至關(guān)重要的市場(chǎng)的關(guān)注重心。曾經(jīng)相關(guān)的討論還比較簡(jiǎn)單直接，但隨著汽車中的電子器件越來(lái)越多，復(fù)雜性也隨之提升到了全新的水平。封裝只是這個(gè)討論中的又一個(gè)方面而已。

“功能安全需要系統(tǒng)性的方法，但我們很難確定如何實(shí)現(xiàn)它?！?a href="http://www.makelele.cn/tags/西門子/" target="_blank">西門子業(yè)務(wù)部門 Mentor 的嵌入式系統(tǒng)部門首席安全官 Robert Bates 說(shuō)，“你需要計(jì)劃隨機(jī)故障的可能性。這種事確實(shí)會(huì)發(fā)生。你需要在了解了硬件和軟件都越來(lái)越復(fù)雜的基礎(chǔ)上做到這一點(diǎn)。對(duì)于機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，軟件并不是直接為最終目的實(shí)現(xiàn)的。而且對(duì)于安全性至關(guān)重要的硬件而言，通常會(huì)使用老幾代的硬件，而且你要在自動(dòng)系統(tǒng)中加入未經(jīng)證實(shí)和不同的情況?！?/p>

盡管先進(jìn)封裝有插入和移出器件的能力，但如果這些器件是為在這些封裝中工作而開(kāi)發(fā)的，那么這項(xiàng)工藝就要更加可以預(yù)測(cè)。問(wèn)題在于，為了保持在這項(xiàng)技術(shù)上的領(lǐng)先，汽車制造商已經(jīng)陷入了瘋狂的爭(zhēng)奪中，所以它們?cè)絹?lái)越多地用上了各種商業(yè)可用的器件，這些器件不是為先進(jìn)封裝開(kāi)發(fā)的，也沒(méi)在極端環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間地測(cè)試過(guò)。

Bates 說(shuō)：“這讓一級(jí)和二級(jí)供應(yīng)商陷入了困境，它們需要提供更多數(shù)據(jù)?！?/p>

盡管數(shù)據(jù)可以模擬，但來(lái)自真實(shí)世界測(cè)試的可用數(shù)據(jù)卻少得多，這又使得公司有責(zé)任對(duì)這些器件進(jìn)行更多驗(yàn)證和測(cè)試。

“隨著我們‘跟隨芯片發(fā)展’，將會(huì)需要大量測(cè)試?！盇stronics 高級(jí)戰(zhàn)略營(yíng)銷經(jīng)理 Anil Bhalla 說(shuō)，“我們將必須根據(jù)監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)和制造作業(yè)會(huì)得到無(wú)缺陷和安全的解決方案。比起智能手機(jī)等消費(fèi)設(shè)備，汽車需要使用遠(yuǎn)遠(yuǎn)更成熟的技術(shù)。而且這種測(cè)試在器件層面和系統(tǒng)層面都要做?！?/p>

這也只是一個(gè)起點(diǎn)而已。Bhalla 說(shuō)：“隨著我們對(duì)缺陷機(jī)制有更好的理解，安全性至關(guān)重要的應(yīng)用還將需要額外的測(cè)試。這個(gè)行業(yè)目前假設(shè)這可以基于早期的試驗(yàn)。更大規(guī)模的更多試驗(yàn)將能使這項(xiàng)新技術(shù)逐漸推出。自動(dòng)駕駛的經(jīng)濟(jì)價(jià)值正在激勵(lì)整個(gè)半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)在這一轉(zhuǎn)型過(guò)程中的發(fā)展。”

供應(yīng)鏈重新洗牌

對(duì)自動(dòng)駕駛汽車和先進(jìn)電子器件的推動(dòng)至少可以部分追溯到特斯拉公司，直到幾年之前，大多數(shù)賺錢的大型汽車制造商都很大程度上忽視了這家公司。特斯拉推出的自動(dòng)駕駛技術(shù)改變了這一切，顛覆了供應(yīng)鏈，并給已經(jīng)存在穩(wěn)固了幾十年的關(guān)系帶來(lái)了質(zhì)疑。突然之間，汽車制造商必須互相競(jìng)爭(zhēng)才能與時(shí)俱進(jìn)，并且要越來(lái)越努力地開(kāi)發(fā)駕駛輔助和全自動(dòng)駕駛技術(shù)。

但它們沒(méi)有根據(jù)已有的器件開(kāi)發(fā)所有一切，而是開(kāi)始搜索最佳的技術(shù)，不管這種技術(shù)來(lái)自哪里。但這并不是一兩種器件的問(wèn)題。它需要電子內(nèi)容的混合搭配，其中包括 RF 子系統(tǒng)、電源管理單元、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、傳感器套件以及使用CPU、GPU和各種硬件加速器的高級(jí)邏輯。

此外，這些器件中許多都是由那些此前彼此之間交流很少或沒(méi)有交流的公司開(kāi)發(fā)的。ASE 的 Yannou 回憶了最近由 ASE 和一級(jí)廠商 Valeo 之間的一家 OEM 組織的會(huì)議：“開(kāi)始的時(shí)候 Valeo 的人有些氣惱，因?yàn)樗麄儐?wèn)我和我的一個(gè)次次級(jí)分包商在這里做什么。這家 OEM 告訴 Valeo：‘你需要與 ASE 合作，你們需要一起做這個(gè)集成模組。如果你可以在 PCB 的一面做好一切，那你就可以釋放該 PCB 第二面的空間，從而可以在另一面構(gòu)建 WiFi 模組?！边@個(gè)項(xiàng)目今天還在運(yùn)作。

這家 OEM 還意識(shí)到：現(xiàn)在制造一輛汽車就像是將模組組裝到一起。Yannou 說(shuō)：“看看特斯拉的底盤，實(shí)在太過(guò)簡(jiǎn)單了。就是些焊接在一起的鋁管、很多電池、一個(gè)電動(dòng)機(jī)和一些電子件，也就這些。其它的汽車 OEM（尤其是歐洲的，另外也有世界其它地方的豐田、通用和福特）都是內(nèi)燃機(jī)專家。但因?yàn)槠囆袠I(yè)正在遠(yuǎn)離這些引擎，所以情況在發(fā)生變化?，F(xiàn)在你想想看，一家電池專家或一家電子產(chǎn)品專家也可以像福特、通用、豐田、雷諾、標(biāo)致、大眾、奧迪、寶馬等發(fā)動(dòng)機(jī)專家一樣生產(chǎn)好車。所有這些傳統(tǒng)的汽車 OEM 實(shí)際上都害怕它們的未來(lái)業(yè)務(wù)。”

這直接影響了正為汽車開(kāi)發(fā)的封裝技術(shù)。大多數(shù)汽車信息娛樂(lè)應(yīng)用仍然在使用 wirebond，比如 GPS、音頻控制器和 USB 設(shè)備，另外還有電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車中使用的 MCU、儀表、電源管理系統(tǒng)和車身系統(tǒng)（包含以太網(wǎng)、收發(fā)器和內(nèi)部照明組件）。但據(jù) STATS 的 Fontanilla 稱，對(duì)于 ADAS 等新系統(tǒng)以及更與時(shí)俱進(jìn)的信息娛樂(lè)、儀表和車身系統(tǒng)，fan-out 正越來(lái)越受歡迎。

此外，這些封裝也在開(kāi)始將為移動(dòng)市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的芯片包含進(jìn)來(lái)。“今天的主要論調(diào)是‘如果這在智能手機(jī)里面有效，為什么在汽車?yán)飼?huì)無(wú)效？’”Yannuo 說(shuō)，“事實(shí)上，往往只需要改變很少——甚至不做改變，它就能有效。這只是個(gè)時(shí)間長(zhǎng)短和困難度大小的問(wèn)題。實(shí)際上，這些技術(shù)相當(dāng)魯棒。”

但是，究竟這將如何在封裝的世界里發(fā)揮作用？我們還不清楚。

“英飛凌這樣的大型 IDM 和 Continental 這樣的一級(jí)廠商往往會(huì)使用成熟的技術(shù)，其在汽車上魯棒性已經(jīng)得到了很好的證明，比如 QFP（quad flat package ，方型扁平式封裝）或通孔類型的封裝?！盰annou 說(shuō)，“它們會(huì)拒絕使用有機(jī)基底 BGA、LGA。它們不會(huì)使用 QFN，因?yàn)槟憧床坏揭€，所以你無(wú)法檢查與電路板的焊接。這些理由都是合理的。更小型的玩家可能敢于使用新技術(shù)，所以在這種震蕩下，整個(gè)供應(yīng)鏈也會(huì)迫使大型玩家重新思考是否采用一些新技術(shù)。