3D可编程封装作为AIoT应用的创新解决方案

逍遥设计自动化 · 发表于昨天 08:01

引言
在当今快速发展的电子产业中，对紧凑、高效和多功能系统集成的需求日益增长。人工智能物联网(AIoT)应用将AI能力与物联网连接相结合，为封装技术带来独特挑战。本文探讨一种创新的半导体封装方法——3D可编程封装，通过预制组件和可定制层的创新组合解决这些挑战[1]。

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系统级封装面临的挑战
系统级封装(SiP)技术已成为将多种异构组件集成到单一封装中的关键解决方案。然而，传统SiP方法在满足现代AIoT应用的多样化需求方面面临几个重要挑战。

主要挑战之一是多芯片异构集成，涉及在单一封装中结合CPU、存储器、射频模块以及模拟和数字电路等各种组件。这种集成必须平衡功耗、性能、面积、成本和良率考虑因素(统称为PPACY)，这通常涉及复杂的权衡。

AIoT市场还要求更快的上市周期，特别是针对移动设备、可穿戴设备和各种物联网应用。此外，许多AIoT应用需要高混合、低产量(HMLV)制造能力，以适应多样化的定制解决方案。

理想的SiP解决方案必须具有高度灵活性，能够以最小的修改适应各种应用。还应具备可扩展性和模块化特性，允许集成或升级额外的传感器、接口或处理能力，而无需完全重新设计。最后，必须具有成本效益，简化设计和组装过程，同时减少制造时间和成本。

针对特定应用需求已出现各种SiP配置。AIoT SiP通常将MCU与NPU、存储组件(RAM和Flash)以及射频功能集成在一起。传感器SiP结合图像传感器、MEMS传感器、MCU或FPGA组件以及WiFi连接。无线射频SiP将MCU与电源管理IC、射频前端IC和天线集成在一起。

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图1：不同SiP配置示例，展示了AIoT(左)、传感器(中)和无线射频(右)应用的组件布局。

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3D可编程封装技术
本文描述的3D可编程封装技术基于三个关键组件。首先，使用晶粒后置扇出晶圆级封装(FOWLP)的预制基板，为封装提供可大规模生产的标准化基础。其次，采用3D通模穿孔球栅阵列(TMV-BGA)结构，实现组件的垂直集成，显著减小封装尺寸。第三，也许是最具创新性的，在基板内嵌入可编程/可切换的ASIC，支持5Gbps+传输速度，允许互连的动态重配置。

这种方法通过将可编程性直接集成到封装结构本身，代表了传统封装方法的根本转变。与为每个应用创建定制互连布局不同，嵌入式开关阵列允许对信号路径进行后制造配置。

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图2：提出的3D可编程封装结构，显示预制基板、嵌入式开关IC和TMV技术。

预制基板的制造过程涉及几个建立在成熟半导体封装技术基础上的关键步骤。首先，创建背面重布线层(RDL)和凸点下金属化(UBM)。接下来，将开关IC晶粒精确放置在RDL上。然后继续创建通模穿孔(TMV)，并使用300μm树脂封装进行压缩模塑。这创建了可以添加定制层的基础。

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图3：预制基板的制造步骤，显示玻璃载体上的RDL、开关IC安装和带TMV的模塑。

TMV垂直集成是该技术的关键方面。需要晶圆减薄至200μm以露出TMV。模塑后，使用激光使基板从载体上脱粘。截面扫描电子显微镜(SEM)成像显示了通模穿孔结构的精确尺寸，展示了创建可靠垂直连接所需的精细工程。

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图4：SEM截面图显示带精确尺寸测量的通模穿孔结构详细情况。

预制基板完成后，开始定制层制造过程。这涉及创建定制的重布线层，通常根据应用需求由一层或两层组成。然后进行最终IC组装，该技术支持线焊和表面贴装两种方法，提供最大灵活性。根据特定应用需求，可能还会执行可选的最终模塑步骤。

完成的3D可编程封装在小外形尺寸中提供了集成多个组件的紧凑解决方案。最终封装模块尺寸为9.75 x 13mm，线/间距比为15/15μm，成功将MCU、蓝牙和RAM集成在紧凑的SiP模块中。这种小尺寸使其非常适合空间受限的应用，如可穿戴设备、医疗设备和物联网传感器。

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图5：最终的3D可编程封装解决方案，展示了在紧凑外形中完整集成的组件。

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创新的编程能力
该技术的突出特点是其可编程性。封装包含嵌入在基板内的可编程/可切换ASIC，可通过直观的图形用户界面(GUI)配置。这使工程师能够将定制层与开关路径配置匹配，在系统设计中提供极高灵活性。

编程软件实现了视觉路径配置，允许设计人员在不进行物理重新设计的情况下建立组件之间的连接。工程师可以可视化并配置通过嵌入式开关IC的信号路径，使互连结构适应其应用的特定要求。这消除了为每个产品变体创建全新基板设计的需要，显著减少了开发时间和成本。

开关配置支持超过5Gbps的高速数据传输，确保现代高带宽应用不会出现性能瓶颈。这种高速能力对于需要大量数据吞吐量的多媒体应用、高分辨率传感器和AI处理至关重要。

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图6：直观的开关路径配置GUI，允许组件之间的可编程互连。

该技术核心的开关阵列IC具有81个I/O(3.3V)，采用棋盘格通道阵列设计。对于需要更大连接性的复杂应用，还提供更广泛的400 I/O版本。该IC通过基于3线串行IO接口实现动态路径配置，使在生产环境中编程变得简单明了。它还包括一次性可编程(OTP)存储器用于配置存储，确保选择的互连模式在设备操作寿命期间保持稳定。

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图7：开关阵列IC架构，显示棋盘格通道阵列和控制电路。

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异构集成应用
3D可编程封装是快速原型开发的优秀平台，使设计人员能够高效地从评估板过渡到最终产品。这种简化的开发过程显著减少了上市时间，这在快速发展的技术领域越来越重要。

开发路径通常从评估套件或板开始，在那里测试初始功能。接着，工程师可以快速过渡到使用3D可编程封装的SiP原型，允许他们在接近最终外形的条件下测试集成解决方案。一旦设计得到验证，就可以自信地过渡到大规模生产，因为原型准确地代表了最终产品的行为。

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图8：开发过程显示从评估套件通过快速SiP原型到最终产品的发展。

该技术的一个引人注目的实际应用是用于医疗诊断的微型胶囊内窥镜。这种复杂的设备集成了具有120°视场的摄像头、用于体内清晰成像的白色LED照明、带集成蓝牙的低功耗核心用于无线数据传输、2.4GHz天线和用于程序存储的内部ROM——所有这些都由3D可编程SiP技术实现。紧凑的集成使创建可吞咽的医疗设备成为现实，该设备能够从患者消化道内部捕获和传输诊断图像。

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图9：基于3D可编程SiP技术的微型胶囊内窥镜，显示主要组件包括摄像头、电池和无线连接。

除医疗应用外，该技术还实现了其他创新集成，如传感器集线器和数字信号处理器(DSP)。一个示例应用是实时预处理器，可处理来自多种传感器的数据，包括MEMS麦克风、压力传感器、CMOS图像传感器、温度传感器和微型LED。该系统将用于传感器集线器/DSP功能的低功耗核心与高性能ARM/RISC-V核心相结合，实现自适应事件触发和过滤。这种架构对边缘AI应用尤其有价值，在这些应用中，预处理传感器数据可以通过仅在必要时激活高性能处理核心来显著减少功耗。

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图10：传感器集线器/DSP应用，展示了多种传感器类型与处理能力的集成。

另一个应用示例是处理蓝牙和WiFi等通信协议的接口协议卸载处理器。这种配置使用3D可编程封装将高性能ARM/RISC-V核心与低功耗接口卸载处理器相结合。这种架构实现了自适应卸载、实时协议处理、可重配置接口驱动程序和安全加密处理——这些都是物联网设备在维持网络连接的同时最小化功耗的关键功能。

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图11：接口协议卸载处理器应用，展示了无线连接与专用处理能力的集成。

3D可编程SiP的灵活性使其适用于多种应用，从物联网医疗设备(IoMT)到AI无人机和工业物联网模块。每个应用都受益于该技术提供的快速开发能力和定制选项。

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图12：通过3D可编程SiP技术实现的各种应用，包括医疗、无人机和工业物联网设备。

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主要特点和优势
3D可编程封装提供了几个重要特点和优势，解决了现代电子系统开发人员面临的挑战。

该技术能够快速开发多个SiP原型以满足特定应用目标。这使工程师能够评估来自各种供应商或竞争对手的解决方案，优化产品的紧凑性和低功耗，而无需为每次迭代进行冗长的重新设计周期。

现代电子产品的一个重要考虑因素是PPAC权衡优化。虽然组件集成增加了SiP本身的价格，但它降低了系统板的总物料清单(BOM)成本。这可以带来总体成本节约，特别是考虑到减少的组装复杂性和由于更少的分立组件和连接而提高的可靠性。

该技术在支持多核异构架构方面表现出色。它能够将面向性能的核心(用于视频、多媒体、网络)与功耗效率高的MCU/RF组件相结合，提供互补优势。这种异构集成允许复杂的电源管理策略，不同的处理元素可以根据应用需求激活。

也许最显著的是，该技术通过其预制方法使设计和制造时间减少了62%。这对于传统定制封装会过于昂贵和耗时的高混合、低产量生产场景特别有益。制造后配置互连的能力也意味着单一硬件设计可以通过软件定义的路由适应多种应用。

该方法在不同应用需求下提供了优化功耗效率和性能的卓越可扩展性和多功能性。系统设计人员可以专注于为其特定用例选择最佳组件，因为3D可编程封装能够满足其集成需求。

3D可编程封装最终为快速评估性能、功耗、面积、成本和良率考虑因素提供了综合工具。它为异构集成提供了硬件和软件开发平台，使工程师能够创建满足AIoT应用不断增长需求的优化解决方案。

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图13：3D可编程封装作为评估性能、功耗、面积和成本权衡的工具的可视化。

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结论
3D可编程封装代表了半导体封装技术的重要进展，特别是对于需要灵活性、快速开发和异构集成的AIoT应用。通过将预制组件与可定制层和可编程互连相结合，这种技术解决了现代电子系统的挑战，同时实现了高效的高混合、低产量制造。

展示的应用范围从医疗设备到传感器集线器和通信处理器，展示了这种方法的多功能性。该技术实现了从概念到生产的简化开发过程，能够在投入大规模生产前快速创建原型和改进设计。这种加速的开发周期在竞争激烈的技术市场中越来越重要。

封装的可编程性，包括其嵌入式开关阵列IC和直观的配置界面，代表了电子系统设计和制造方式的范式转变。与创建在制造后无法修改的固定互连结构不同，这种方法引入了以前在半导体封装中无法达到的后制造灵活性水平。

参考文献
[1] C. Li, Y. Chang, S. Lin, J. Zhang, C. Hsu, T. Hung, T. O. Yang, F. Lo, C. Wang, and W. Lo, "An Innovative Programmable Packaging for AIoT Application," in 2025 International VLSI Symposium on Technology, Systems and Applications (VLSI TSA), Hsinchu, Taiwan, April 21-24, 2025.
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