关于先进封装走向汽车电子的趋势和解析

汽车 OEM 厂商正在以各自的速度加速汽车的电气化，为此它们都开始拥抱全新的封装方法，以便在这个竞争越来越大的市场里实现自身的差异化。

wirebond 曾经是这个市场的支配者，那时候大多数芯片都相对来说不太复杂而且产品周期长——有时候长达 5 到 7 年。但随着汽车制造商开始规划发展越来越快的驾驶辅助或完全自动驾驶未来，他们也开始考虑使用先进封装来保持自己的技术优势以及更快速地将产品推向市场。

“我们看到在汽车应用的封装选择和考虑上有越来越多的新的不同选择。”STATS ChipPAC 产品技术营销副总监 Edward Fontanilla 说，“其中一个例子是用于 77GHz 先进驾驶辅助系统（ADAS）的高频雷达设备。这些高频雷达设备需要远远更加紧凑的 RF 信号隔离和激进的性能目标。fan-out 晶圆级封装（FOWLP），尤其是嵌入式晶圆级球栅阵列（eWLB），正在变成人们普遍选择的封装技术。”

图 1：恩智浦的 FOWLP 雷达模块，来自：恩智浦

Fontanilla 指出了在汽车电子器件中使用 fan-out 方法的一些优点，其中包括：

不再需要层压基板（laminate substrate），而代之以铜再分布层（RDL）。这种 RDL 具有更短的连接距离，从而可以显著降低阻抗。

和许多先进封装方法一样，它可以将外形尺寸做得更小，而且可使互连中的寄生效应更低，这对于高频应用而言是至关重要的。

晶圆级工艺的公差更低，可以实现更好的产量，对于高频应用而言具有成本效益。

和所有的 fan-out 技术一样，它提供了更大的设计灵活性，因为其中的布线干扰更少，且 RF 信道也有足够的隔离。

其他人也谈到了汽车制造商对先进封装的兴趣的类似增长。

“汽车制造商本身就对此直接感兴趣，尤其是一级厂商。”ASE Europe 高级技术总监 Jean-Marc Yannou 说，“奥迪这样的 OEM 认识到汽车的差异化越来越多地来自于电子器件，因为汽车制造商已经解决了内燃机的大部分问题。所以它们往电力或混合动力方向发展。这是一个差异化因素。另一个差异化因素是一直走高端路线的汽车。消费者想在汽车里用上大量小工具，比如能够按一个按钮就能通过电来调节座椅、加热座椅、打开行李箱或天窗。”

他指出汽车 OEM 非常清楚可以通过电子组件来实现汽车的差异化。他们也理解他们无法通过使用一种不同的 CMOS 技术来做到差异化，这样它们在旧节点和迁移到 10/7nm 节点就没什么较大的差别了。对于汽车应用，规模还不够大，不足以在器件尺寸缩减时显著降低价格。

Yannou 说：“投资/资本性支出的水平如此之高，以至于汽车制造商需要非常非常高的产量才能证明这个举措的合理性。它们会跟随的，但它们很好地跟随的是无线行业。在新一代 CMOS 技术节点的采用上，它们仍然还落后 5 年时间。”

但是，当涉及封装时，则完全是另一幅图景。

他说：“过去，各个硅节点都是一样的，我们只是无线行业的跟随者。现在，我们做了越来越多实际上特定于汽车行业的事情。奥迪曾说半导体的所有差异化（这本身就是电子器件以及广义上的汽车的差异化）都将会是封装。通过缩减整体尺寸，有了更好的散热和更低的电损耗，封装就可被用于将性能提高到更高的水平。”

尽管电子器件封装的尺寸可能是一个设计因素，但鉴于汽车内部空间很大，所以真正的重点在于隐藏电路的能力。Yannou 说：“电子器件必须不能让用户的眼睛看到，小型化是一个重要因素。”

什么类型的封装？

但是，这并不是简单地用一种技术替换另一种技术，还需要考虑一些因素，比如这些器件的使用方式、使用环境、哪种封装技术最好。当前厂商基本都押注 fan-out，但也可能转向，从而将其它封装技术纳入进来。

“使用环境是至关重要的，”SEMI 协同技术平台副总裁 Tom Salmon 说，“你需要思考它是用在引擎盖下还是信息娱乐系统中，以及在 2025 年情况会怎样。然后，你的封装需要什么材料？因为已经不再是过去那样有一级和二级玩家定义接下来 20 年的发展，所以情况可能非常不同。”

因为并非所有元件都需要为每种新应用进行改变，所以封装也提供了一些灵活性。作为现已停止的国际半导体技术发展路线图（International Technology Roadmap For Semiconductors）的后继项目，异构集成发展路线图（Heterogeneous Integration Road Map）的开发团队目前正在研究汽车等不同市场的一系列参考平台。针对这些市场，不同的工作团队正在开发 2.5D、3D 和 fan-out 技术的指南。

Salmon 说：“其目标是为开发正确的器件创造最优的平台，并且仍然可以灵活地使用晶圆级封装或芯片级封装或针对特定环境优化的任何技术。”

fan-out 最近已经得到了非常多的关注。TechSearch International 总裁 Jan Vardaman 称 fan-out 晶圆级封装是一种颠覆性技术，因为它不需要基底或传统的底部填充胶，而且在代工厂或 OSAT 就能完成所有封装。但她指出它确实还需要芯片-封装的协同设计。

“因为性能的原因，雷达模组就使用了 fan-out 晶圆级封装。”Vardaman 说，“这是 RF，所以很低的寄生效应是非常重要的。如今也有很多 wirebond 和 QFN（Quad Flat No-lead Package，方形扁平无引脚封装）。更多引脚的微控制器的工艺正从 wirebond 迁移到倒装芯片，而且在各个部件中还有一些系统级封装模块。”

图 2：fan-in 与 fan-out，来自：TechSearch International/STATS ChipPAC

可靠性与未知

在这种如何将芯片做到一起的转变之下，还有对可靠性的担忧，而可靠性一直以来都是汽车等安全性至关重要的市场的关注重心。曾经相关的讨论还比较简单直接，但随着汽车中的电子器件越来越多，复杂性也随之提升到了全新的水平。封装只是这个讨论中的又一个方面而已。

“功能安全需要系统性的方法，但我们很难确定如何实现它。”西门子业务部门 Mentor 的嵌入式系统部门首席安全官 Robert Bates 说，“你需要计划随机故障的可能性。这种事确实会发生。你需要在了解了硬件和软件都越来越复杂的基础上做到这一点。对于机器学习和神经网络，软件并不是直接为最终目的实现的。而且对于安全性至关重要的硬件而言，通常会使用老几代的硬件，而且你要在自动系统中加入未经证实和不同的情况。”

尽管先进封装有插入和移出器件的能力，但如果这些器件是为在这些封装中工作而开发的，那么这项工艺就要更加可以预测。问题在于，为了保持在这项技术上的领先，汽车制造商已经陷入了疯狂的争夺中，所以它们越来越多地用上了各种商业可用的器件，这些器件不是为先进封装开发的，也没在极端环境下长时间地测试过。

Bates 说：“这让一级和二级供应商陷入了困境，它们需要提供更多数据。”

尽管数据可以模拟，但来自真实世界测试的可用数据却少得多，这又使得公司有责任对这些器件进行更多验证和测试。

“随着我们‘跟随芯片发展’，将会需要大量测试。”Astronics 高级战略营销经理 Anil Bhalla 说，“我们将必须根据监管标准验证设计和制造作业会得到无缺陷和安全的解决方案。比起智能手机等消费设备，汽车需要使用远远更成熟的技术。而且这种测试在器件层面和系统层面都要做。”

这也只是一个起点而已。Bhalla 说：“随着我们对缺陷机制有更好的理解，安全性至关重要的应用还将需要额外的测试。这个行业目前假设这可以基于早期的试验。更大规模的更多试验将能使这项新技术逐渐推出。自动驾驶的经济价值正在激励整个半导体生态系统在这一转型过程中的发展。”

供应链重新洗牌

对自动驾驶汽车和先进电子器件的推动至少可以部分追溯到特斯拉公司，直到几年之前，大多数赚钱的大型汽车制造商都很大程度上忽视了这家公司。特斯拉推出的自动驾驶技术改变了这一切，颠覆了供应链，并给已经存在稳固了几十年的关系带来了质疑。突然之间，汽车制造商必须互相竞争才能与时俱进，并且要越来越努力地开发驾驶辅助和全自动驾驶技术。

但它们没有根据已有的器件开发所有一切，而是开始搜索最佳的技术，不管这种技术来自哪里。但这并不是一两种器件的问题。它需要电子内容的混合搭配，其中包括 RF 子系统、电源管理单元、发动机控制器、传感器套件以及使用CPU、GPU和各种硬件加速器的高级逻辑。

此外，这些器件中许多都是由那些此前彼此之间交流很少或没有交流的公司开发的。ASE 的 Yannou 回忆了最近由 ASE 和一级厂商 Valeo 之间的一家 OEM 组织的会议：“开始的时候 Valeo 的人有些气恼，因为他们问我和我的一个次次级分包商在这里做什么。这家 OEM 告诉 Valeo：‘你需要与 ASE 合作，你们需要一起做这个集成模组。如果你可以在 PCB 的一面做好一切，那你就可以释放该 PCB 第二面的空间，从而可以在另一面构建 WiFi 模组。’”这个项目今天还在运作。

这家 OEM 还意识到：现在制造一辆汽车就像是将模组组装到一起。Yannou 说：“看看特斯拉的底盘，实在太过简单了。就是些焊接在一起的铝管、很多电池、一个电动机和一些电子件，也就这些。其它的汽车 OEM（尤其是欧洲的，另外也有世界其它地方的丰田、通用和福特）都是内燃机专家。但因为汽车行业正在远离这些引擎，所以情况在发生变化。现在你想想看，一家电池专家或一家电子产品专家也可以像福特、通用、丰田、雷诺、标致、大众、奥迪、宝马等发动机专家一样生产好车。所有这些传统的汽车 OEM 实际上都害怕它们的未来业务。”

这直接影响了正为汽车开发的封装技术。大多数汽车信息娱乐应用仍然在使用 wirebond，比如 GPS、音频控制器和 USB 设备，另外还有电动汽车和混合动力汽车中使用的 MCU、仪表、电源管理系统和车身系统（包含以太网、收发器和内部照明组件）。但据 STATS 的 Fontanilla 称，对于 ADAS 等新系统以及更与时俱进的信息娱乐、仪表和车身系统，fan-out 正越来越受欢迎。

此外，这些封装也在开始将为移动市场开发的芯片包含进来。“今天的主要论调是‘如果这在智能手机里面有效，为什么在汽车里会无效？’”Yannuo 说，“事实上，往往只需要改变很少——甚至不做改变，它就能有效。这只是个时间长短和困难度大小的问题。实际上，这些技术相当鲁棒。”

但是，究竟这将如何在封装的世界里发挥作用？我们还不清楚。

“英飞凌这样的大型 IDM 和 Continental 这样的一级厂商往往会使用成熟的技术，其在汽车上鲁棒性已经得到了很好的证明，比如 QFP（quad flat package ，方型扁平式封装）或通孔类型的封装。”Yannou 说，“它们会拒绝使用有机基底 BGA、LGA。它们不会使用 QFN，因为你看不到引线，所以你无法检查与电路板的焊接。这些理由都是合理的。更小型的玩家可能敢于使用新技术，所以在这种震荡下，整个供应链也会迫使大型玩家重新思考是否采用一些新技术。