Co to jest technologia Package on Package i jak działa

W wyścigu po mniejszą, szybszą i potężniejszą elektronikę ‒ od ultracienkiego smartfona po kompaktowe urządzenia medyczne ‒ tradycyjne umieszczanie układów obok siebie znalazło przeszkodę.Wprowadzenie technologii pakietu w pakiecie (PoP): innowacyjne rozwiązanie, które układa pakiety chipów (np. procesor na dole, pamięć na górze) pionowo, zmniejszając powierzchnię PCB nawet o 50% przy jednoczesnym zwiększeniu wydajności.PoP to nie tylko oszczędność miejsca; skraca ścieżki sygnału, zmniejsza zużycie energii i ułatwia modernizacje.jego główne korzyści, zastosowań w świecie rzeczywistym i najnowszych osiągnięć kształtujących jego przyszłość.

Kluczowe wnioski
1Efektywność przestrzenna: PoP układa chipy pionowo (w porównaniu z bok po bok), zmniejszając ślad PCB o 30-50% i umożliwiając szybsze urządzenia, takie jak zegarki inteligentne i składane telefony.
2.Szybsza wydajność: skrócone ścieżki sygnału między układanymi układami (np. CPU + RAM) zmniejszają opóźnienie o 20~40% i zmniejszają zużycie energii o 15~25%.
3Modularność: Każdy chip jest testowany i można go wymienić indywidualnie.
4Uniwersalność: Funkcjonuje z układami z różnych dostawców (np. procesor Qualcomm + RAM Samsung) i obsługuje ulepszenia (np. wymiana 4 GB RAM na 8 GB).
5. Szerokie zastosowania: Dominuje w branży elektroniki konsumenckiej (smartfony, tablety), motoryzacyjnej (systemy ADAS), opieki zdrowotnej (monitory noszone) i telekomunikacji 5G (stacje bazowe).

Co to jest technologia pakietu w pakiecie (PoP)?
PoP jest zaawansowaną techniką pakowania, która układa dwa lub więcej półprzewodnikowych pakietów pionowo, tworząc jeden, kompaktowy moduł.W przeciwieństwie do tradycyjnego umieszczania "około siebie" (gdzie procesor i pamięć RAM zajmują oddzielną przestrzeń PCB)PoP nakłada na siebie kluczowe elementy: zazwyczaj chip logiczny (CPU, SoC) na dole i chip pamięci (DRAM, flash) na górze, połączony przez maleńkie kule lutowe lub mikrobumpy.Ten projekt zmienia sposób budowy elektroniki, przywiązując priorytet do miniaturyzacji bez poświęcania wydajności.

Podstawowa definicja i cel
PoP rozwiązuje dwa największe wyzwania współczesnej elektroniki:

1Ograniczenia przestrzenne: wraz z coraz cieńszymi urządzeniami (np. smartfony 7mm) nie ma miejsca na łamigłówki.
2.Utrudnienia w obsłudze: długie ścieżki sygnału między odległymi układami (np. procesor na jednym końcu PCB, pamięć RAM na drugim) powodują opóźnienia i utratę sygnału.przesyłanie danych z przeładowaniem.

PoP jest również modułowy: każdy chip jest testowany przed układaniem.Ta elastyczność jest ogromną zaletą w porównaniu z zintegrowanymi pakietami (gdzie chipy są trwale połączone), zmniejszając koszty naprawy o 60%.

Kluczowe elementy stosu PoP
Podstawowa konfiguracja PoP składa się z czterech kluczowych części; zaawansowane projekty dodają dodatkowe elementy, takie jak interpozatory, dla lepszej wydajności:

Przykład: Moduł PoP smartfona może mieć 5nm Snapdragon 8 Gen 4 (dolny pakiet) ułożony z 8GB RAM LPDDR5X (górny pakiet), połączony kulkami lutowniczymi o odległości 0,4 mm.Moduł ten zajmuje tylko 15 mm × 15 mm powierzchni PCB – połowę powierzchni umieszczenia obok siebie.

Jak działa technologia PoP: krok po kroku
Zgromadzenie PoP jest procesem precyzyjnie sterowanym, który wymaga specjalistycznego sprzętu (np. laser solder ball jetters, inspektorzy rentgenowskie) w celu zapewnienia wyrównania i niezawodności.

1Przygotowania przed montażem
Przed ustawieniem każdego elementu należy oczyścić, przetestować i przygotować, aby uniknąć wad:

a.Oczyszczanie PCB: Podstawowy PCB jest oczyszczany falami ultradźwiękowymi lub sprężonym powietrzem w celu usunięcia pyłu, oleju lub pozostałości zanieczyszczeń, które łamią wiązania lutowe.
b.Wykorzystanie pasty lutowniczej: do nakładania dokładnej ilości pasty lutowniczej na miejsca podkładki PCB (gdzie znajdzie się dolne opakowanie) stosuje się stencil (cienka blacha metalowa z małymi otworami).
c.Badanie chipów: zarówno dolne (logiczne) jak i górne (pamięciowe) chipy są testowane indywidualnie (za pomocą zautomatyzowanego sprzętu testowego,ATE) w celu zapewnienia, że ich funkcjonalne uszkodzone żetony są usuwane, aby uniknąć marnowania czasu na układanie.

2. Położenie dolnego opakowania
Chip logiczny (np. SoC) jest najpierw umieszczony na płytce PCB, ponieważ jest "podstawą" stosu:

a. Precyzyjne umieszczenie: maszyna do wybierania i umieszczania (z dokładnością 1 ‰ 5 μm) umieszcza dolne opakowanie na podkładach PCB pokrytych pastą lutową.
b. Tymczasowe mocowanie: opakowanie jest trzymane w miejscu przy użyciu kleju o niskiej temperaturze lub ciśnienia próżniowego, aby zapobiec przesunięciu podczas ponownego przepływu.

3Najwyższe ustawienie pakietu
Czip pamięci jest ułożony bezpośrednio na górze dolnego opakowania, wyrównany z jego podkładkami lutowymi:

a.Zapasowanie kulki lutowniczej: górne opakowanie (pamięć) ma na dolnej powierzchni wstępnie nałożone kule lutownicze (0,06 ≈ 0,9 mm). Kulki te pasują do układu podkładki na dolnym opakowaniu.
b.Kontrolowanie wyrównania: system widzenia (kamera + oprogramowanie) zapewnia, że górny pakiet jest idealnie wyrównany z dolnym, a nawet błędne wyrównanie 0,1 mm może zerwać połączenia.

4. Lutowanie powracające
Cały stos jest podgrzany, aby stopić lutowanie, tworząc trwałe wiązania:

a.Przetwarzanie w piecu: opakowania z PCB+ przechodzą przez piecowanie z powrotem o kontrolowanym profilu temperatury (np. 250°C dla lutowania bez ołowiu).To topi pastę lutową (na płytce PCB) i kulki lutowe górnego opakowania, tworząc silne połączenia elektryczne i mechaniczne.
b.Ochłodzenie: stos chłodzi się powoli, aby uniknąć naprężenia termicznego (które powoduje pęknięcia lutownicy), co jest kluczowe dla długotrwałej niezawodności.

5. Inspekcja i badania
Żaden moduł PoP nie opuszcza fabryki bez rygorystycznych kontroli:

a.Badania rentgenowskie: urządzenia rentgenowskie poszukują ukrytych wad (np. pustki lutownicze, brakujące kule), które są niewidoczne gołym okiem.
b.Badanie elektryczne: tester "lecącej sondy" sprawdza, czy sygnały przepływają prawidłowo między górnymi/dolnymi opakowaniami a PCB.
c. Badania mechaniczne: moduł jest poddawany cyklowi cieplnemu (np. od -40 do 125 °C) oraz testom wibracyjnym w celu zapewnienia jego odporności na użycie w rzeczywistości.

Pro Tip: Zaawansowane projekty PoP wykorzystują cienkie otwory wiasowe (TSV) ‒ przewiercone przez chipy ‒ do łączenia warstw zamiast tylko piłek lutowych.TSV zmniejszają opóźnienie sygnału o 30% i umożliwiają układanie 3D (ponad dwie warstwy).

Krytyczne szczegóły: połączenia i materiały
"Klejem", który sprawia, że PoP działa, jest system połączeń między sobą - kulki lutowe lub mikrobumpy - oraz materiały użyte do budowy stosu.

Kulki lutowe: podstawa połączeń PoP
Różnice pomiędzy wielkością, stopem i położeniem określają, jak dobrze układ działa:

Interpozatory: zaawansowane połączenia dla wysokiej wydajności PoP
W przypadku urządzeń wysokiej klasy (np. stacji bazowych 5G, graficznych procesorów graficznych), PoP wykorzystuje wstawiciele – cienkie warstwy między górnym i dolnym pakietem – w celu rozwiązania problemów sygnałowych i cieplnych:

1Co to jest interpozor? Cienka arkusz (krzemowy, szkłowy lub organiczny materiał) z malutkimi drutami lub TSV, które działają jako "most" między układami.
2.Silicon interposers: Złoty standard dla wysokiej wydajności. Mają ultra-cienkie okablowanie (1 ′′ 5 μm szerokości) i TSV, umożliwiające 100 000+ połączeń na moduł. Używane w układach takich jak NVIDIA GPU.
3.Szklaniacze: Alternatywa, tańsza od krzemu, lepsza odporność na ciepło i kompatybilna z dużymi panelami.
4.Organic interposers: niskie koszty, elastyczne i lekkie. Używane w urządzeniach konsumenckich (np. smartfony średniej klasy), w których koszty są ważniejsze niż ekstremalna wydajność.

Przykład: CoWoS (Chip on Wafer on Substrate) firmy TSMC jest zaawansowanym wariantem PoP, który wykorzystuje silikonowy interpozor do układania GPU z HBM (High-Bandwidth Memory).Ta konstrukcja zapewnia 5x więcej przepustowości niż tradycyjne umieszczenie bok po bok.

Korzyści z technologii PoP
PoP to nie tylko sztuczka oszczędzająca przestrzeń, ale przynosi namacalne korzyści dla projektantów, producentów i użytkowników końcowych.

1Wydajność przestrzenna: zalety nr 1
Największym punktem sprzedaży PoP jest jego zdolność do zmniejszenia śladu PCB.

a.Mniejszy rozmiar: moduł PoP (CPU + RAM) zajmuje o 30~50% mniej miejsca niż umieszczenie obok siebie. Na przykład moduł PoP o wymiarach 15 mm × 15 mm zastępuje dwa chipy o wymiarach 12 mm × 12 mm (zajęte 288 mm2 w porównaniu z 225 mm2).
b.Tynsze urządzenia: pionowe układanie eliminuje potrzebę szerokich śladów PCB między chipami, umożliwiając cieńsze konstrukcje (np. 7 mm smartfony w porównaniu z 10 mm modelami z tradycyjnym opakowaniem).
c.Więcej funkcji: Zaoszczędzona przestrzeń może być wykorzystana do większych baterii, lepszych aparatów fotograficznych lub dodatkowych czujników - klucz do konkurencyjnej elektroniki użytkowej.

2Zwiększenie wydajności: szybciej, wydajniej
Krótsze ścieżki sygnałowe między układanymi chipami przekształcają wydajność:

a.Szybsze przesyłanie danych: sygnały przechodzą zaledwie o 1 ‰ 2 mm (w porównaniu z 10 ‰ 20 mm w projektach równoległych), zmniejszając opóźnienie (zatrwanie) o 20 ‰ 40%. Dzięki temu aplikacje ładują się szybciej, a gry działają płynniej.
b.Mniejsze zużycie energii: Krótsze drogi oznaczają mniejsze opory elektryczne, zmniejszając zużycie energii o 15-25%.
c.Lepsza jakość sygnału: mniejsza odległość zmniejsza przepływ sygnału (zakłócenia sygnału) i utratę, zwiększając niezawodność danych, która jest kluczowa dla 5G i pamięci dużych prędkości (LPDDR5X).

Poniższa tabela ilościowo przedstawia te zyski:

3Modularność i elastyczność
Modułowa konstrukcja PoP® pozwala na łatwe dostosowanie do różnych potrzeb:

a.Chipy do mieszania i dopasowywania: można połączyć procesor jednego dostawcy (np. MediaTek) z pamięcią RAM innego (np. Micron) bez konieczności przeprojektowania całego pakietu.
b.Łatwe ulepszenia: jeśli chcesz zaoferować wersję smartfona z 12 GB pamięci RAM, zamiast zmieniać PCB, wystarczy wymienić najwyższy pakiet (4 GB → 12 GB).
c.Prostsze naprawy: w przypadku awarii układu pamięci wymienia się tylko tę część, a nie cały moduł procesora. To obniża koszty naprawy o 60% dla producentów.

4. Oszczędności kosztów (długoterminowe)
Podczas gdy PoP wiąże się z wyższymi kosztami wstępnymi (specjalistyczny sprzęt, testy), oszczędza pieniądze w czasie:

a.Mniejsze koszty PCB: mniejsze PCB zużywają mniej materiału i wymagają mniejszej ilości śladów, co obniża koszty produkcji o 10−15%.
b.Mniej kroków montażowych: układanie dwóch chipów w jednym module eliminuje konieczność umieszczania i lutowania ich oddzielnie, skracając czas pracy.
c.Produkcja w skali: w miarę wzrostu wdrażania PoP (np. 80% flagowych smartfonów wykorzystuje PoP) ekonomie skali obniżają koszty komponentów i sprzętu.

Aplikacje PoP: gdzie jest używane dzisiaj
Technologia PoP jest wszędzie, w urządzeniach, których używamy codziennie, oraz w branżach napędzających innowacje.

1Elektronika konsumencka: największy użytkownik
Urządzenia konsumenckie opierają się na PoP, aby zrównoważyć miniaturyzację i wydajność:

a.Smartfony: flagowe modele (iPhone 15 Pro, Samsung Galaxy S24) wykorzystują PoP do modułów SoC + RAM, umożliwiając wyprodukowanie cienkich modeli z pamięcią RAM o pojemności 8 GB ̇ 16 GB.
b.Przybytki noszone: Zegarki inteligentne (Apple Watch Ultra, Garmin Fenix) wykorzystują maleńkie moduły PoP (5 mm × 5 mm), aby zmieścić procesor, pamięć RAM i pamięć flash w obudowie o grubości 10 mm.
c. Tablety i laptopy: urządzenia 2-w-1 (Microsoft Surface Pro) wykorzystują PoP w celu zaoszczędzenia miejsca na większych bateriach, wydłużając żywotność baterii o 2 do 3 godziny.
d.Konsole do gier: urządzenia przenośne (Nintendo Switch OLED) wykorzystują PoP do układania niestandardowego procesora NVIDIA Tegra z pamięcią RAM, zapewniając płynną rozgrywkę w kompaktowej formie.

2. Samochód: napędzenie połączonych samochodów
Nowoczesne samochody używają PoP w krytycznych systemach, gdzie ważna jest przestrzeń i niezawodność:

a.ADAS (Advanced Driver Assistance Systems): Moduły PoP zasilane radarami, kamerami i systemami LIDAR®, które łączą procesor z pamięcią zmniejszają opóźnienie, pomagając samochodom szybciej reagować na zagrożenia.
b.Infotainment: ekrany dotykowe samochodów wykorzystują PoP do uruchamiania funkcji nawigacji, muzyki i łączności bez zajmowania zbyt dużej przestrzeni na tablicy rozdzielczej.
c.Komponenty pojazdów elektrycznych: systemy zarządzania bateriami pojazdów elektrycznych (BMS) wykorzystują PoP do układania mikroprocesora z pamięcią, monitorując stan baterii w czasie rzeczywistym.

3Opieka zdrowotna: Małe, niezawodne urządzenia medyczne
Narzędzia do noszenia i przenośne narzędzia medyczne zależą od miniaturyzacji PoP:

a. Monitory noszone: Urządzenia takie jak Apple Watch Series 9 (z EKG) wykorzystują PoP do dopasowania czujnika tętna, procesora i pamięci do pasma o grubości 10 mm.
b.Przenośne urządzenia diagnostyczne: ręczne mierniki glukozy we krwi wykorzystują PoP do szybkiego przetwarzania danych i przechowywania wyników, które są kluczowe dla pacjentów z cukrzycą.
c.Urządzenia wszczepialne: Podczas gdy większość implantów wykorzystuje mniejsze opakowania, niektóre urządzenia zewnętrzne (np. pompy insulinowe) wykorzystują PoP w celu zrównoważenia wielkości i funkcjonalności.

4Telekomunikacje: 5G & Beyond
Sieci 5G potrzebują szybkich, kompaktowych układów PoP zapewnia:

a. Stacje bazowe: Stacje bazowe 5G wykorzystują PoP do układania procesorów sygnałowych z pamięcią, obsługując tysiące połączeń w małej jednostce zewnętrznej.
b.Rutery i modemy: domowe routery 5G wykorzystują PoP do oszczędzania przestrzeni, montując modem, procesor i pamięć RAM w urządzeniu wielkości książki.

Poniższa tabela zawiera podsumowanie zastosowań przemysłowych PoP:

Najnowsze osiągnięcia w technologii PoP
PoP rozwija się szybko, napędzany popytem na jeszcze mniejsze, szybsze urządzenia.
1. 3D PoP: układanie więcej niż dwóch warstw
Tradycyjny PoP składa się z dwóch warstw (CPU + RAM), ale 3D PoP dodaje więcej, umożliwiając jeszcze lepszą integrację:

a.Stapling z napędem TSV: przez krzemowe przewody (TSV) przewierca się przez układy do łączenia trzech lub więcej warstw (np. CPU + RAM + pamięć flash).dostarczająca 12 GB RAM + 256 GB flash w opakowaniu 15 mm × 15 mm.
b.Wafer-Level PoP (WLPoP): Zamiast układać pojedyncze układy, całe płytki są łączone ze sobą.

2Hybrydowe połączenia: połączenia miedzi z miedzią
Kulki lutowe są zastępowane przez wiązania hybrydowe (wiązania miedzi z miedzią) w celu osiągnięcia bardzo wysokiej wydajności:

a.Sposób działania: Małe miedziane podkładki na górnej i dolnej części opakowania są przyciskane do siebie, tworząc bezpośrednie, nisko odporne połączenie.
b. Korzyści: 5x więcej połączeń na mm2 niż kulki lutowe; niższa opóźnienie (1ns w porównaniu z 2ns); lepszy transfer ciepła.

3Zaawansowani interpozatorzy: Szkło i materiały organiczne
Nowi materiały sprawiają, że są bardziej dostępne:

a.Szklaniacze: Tańsze niż krzemowe, lepiej odporne na ciepło i kompatybilne z dużymi panelami.Szklaniacze Corning's są stosowane w stacjach bazowych 5G, umożliwiając ponad 100 000 połączeń na moduł.
b. Organic Interposers: elastyczne, lekkie i tanie. Używane w urządzeniach konsumenckich, takich jak smartwatches, gdzie wymagania dotyczące wydajności są niższe niż w centrach danych.

4. Optyka wraz z opakowaniami (CPO): łączenie chipów i optyki
W przypadku centrów danych, CPO integruje komponenty optyczne (np. lasery, detektory) ze stosami PoP:

a.Sposób działania: Najwyższy pakiet zawiera elementy optyczne, które wysyłają/odbierają dane za pośrednictwem światłowodu, podczas gdy dolny pakiet to procesor/przewodnik graficzny.
b. Korzyści: 50% mniejsze zużycie energii niż oddzielne optyki; 10 razy większa przepustowość (100 Gbps + na kanał).

5. PoP na poziomie paneli (PLPoP): Produkcja masowa w skali
Opakowania na poziomie paneli tworzą setki modułów PoP na jednym dużym panelu (w porównaniu z pojedynczymi płytkami):

a. Korzyści: skraca czas produkcji o 40%; obniża koszty modułu o 20%. Idealne dla urządzeń o dużej objętości, takich jak smartfony.
b.Wyzwanie: Panele mogą zgiąć się podczas przetwarzania nowych materiałów (np. wzmocnione podłoże organiczne) rozwiązując ten problem.

Częste pytania
1Jaka jest różnica między opakowaniami PoP a 3D IC?
PoP składa się z kompletnych pakietów (np. pakiet CPU + pakiet RAM), podczas gdy 3D IC składa się z gołych chipów (niezapakowanych die) przy użyciu TSV. PoP jest bardziej modułowy (łatwiejszy do wymiany chipów),podczas gdy 3D IC jest mniejszy i szybszy (lepiej dla urządzeń o wysokiej wydajności, takich jak GPU).

2. Czy stosy PoP mogą radzić sobie z wysokimi temperaturami (np. w samochodach)?
Tak, PoP klasy motoryzacyjnej wykorzystuje lutowanie odporne na ciepło (np. stop cynkowo-ołowiowy) i materiały (wykończenia ENIG), które przetrwają od -40 do 125 °C. Jest testowany na 1000+ cykli termicznych w celu zapewnienia niezawodności.

3Czy PoP jest tylko dla małych urządzeń?
Obecnie PoP jest powszechne w smartfonach / urządzeniach noszonych, jest również stosowane w dużych systemach, takich jak stacje bazowe 5G i serwery centrów danych.Wykorzystują one większe moduły PoP (20 mm × 20 mm +) z interpozorami do obsługi dużej mocy.

4Ile kosztuje technologia PoP w porównaniu z tradycyjnymi opakowaniami?
W przypadku produkcji dużej wielkości (1 mln sztuk) koszty początkowe są o 20-30% wyższe (przybudowa, testowanie), ale długoterminowe oszczędności (mniejsze PCB, mniejsza liczba napraw) zrekompensowane są.PoP staje się tańsze niż tradycyjne opakowania.

5Czy PoP może być używany z chipami sztucznej inteligencji?
Absolutely AI chipy (np. NVIDIA H100, AMD MI300) wykorzystują zaawansowane warianty PoP (z interpozorami) do układania procesorów graficznych z pamięcią HBM.

Wniosek
Technologia Packet on Package (PoP) zmieniła sposób budowy nowoczesnej elektroniki, zmieniając "zbyt małą" w "właściwą" dla urządzeń od smartfonów po stacje bazowe 5G.PoP rozwiązuje podwójne wyzwania miniaturyzacji i wydajności: skraca powierzchnię PCB o 30-50%, zmniejsza opóźnienie o 60% i obniża zużycie energii o 25% przy jednoczesnym zachowaniu modułowości i możliwości naprawy.

Wraz z postępem technologii, PoP staje się coraz lepszy. 3D stacking, hybrydowe wiązanie i szkło wstawiające posuwają jego granice, umożliwiając jeszcze mniejsze, szybsze i bardziej wydajne urządzenia.Do przemysłu motoryzacyjnego (ADAS) i opieki zdrowotnej (monitory noszone), PoP nie jest tylko luksusem, ale koniecznością do spełnienia rygorystycznych wymagań dotyczących wielkości i niezawodności.

Dla projektantów i producentów wiadomość jest jasna: PoP nie jest tylko trendem opakowaniowym, ale przyszłością elektroniki.lub GPU centrum danych, PoP zapewnia oszczędności przestrzeni, wydajność i elastyczność niezbędne do utrzymania konkurencyjności.PoP pozostanie w czołówce innowacji, kształtującej elektronikę, którą będziemy używać jutro.