Qu'est-ce que la technologie de l'emballage et comment fonctionne-t-elle?

Dans la course à la fabrication d'appareils électroniques plus petits, plus rapides et plus puissants, des smartphones ultra-minces aux appareils médicaux compacts, le placement traditionnel de puces côte à côte a heurté un mur.Entrez la technologie Package sur Package (PoP): une solution révolutionnaire qui empile des paquets de puces (par exemple, un processeur en bas, une mémoire en haut) verticalement, réduisant l'espace des PCB jusqu'à 50% tout en améliorant les performances.Le PoP ne consiste pas seulement à économiser de l'espaceCe guide décrit ce qu'est le PoP, comment il fonctionne, comment il est utilisé et comment il est utilisé.ses principaux avantages, des applications dans le monde réel, et les dernières avancées qui façonnent son avenir.

Les principaux enseignements
1Efficacité de l'espace: les puces PoP sont empilées verticalement (par rapport aux puces côte à côte), réduisant l'empreinte des PCB de 30 à 50%, permettant ainsi des appareils plus minces comme les montres intelligentes et les téléphones pliables.
2Performance plus rapide: les chemins de signal raccourcis entre les puces empilées (par exemple, CPU + RAM) réduisent le retard de 20 à 40% et la consommation d'énergie de 15 à 25%.
3.Modularité: Chaque puce est testée et remplaçable individuellement. La réparation d'une puce RAM défectueuse ne nécessite pas de remplacer l'ensemble du processeur.
4.Versatilité: fonctionne avec des puces de différents fournisseurs (par exemple, un processeur Qualcomm + RAM Samsung) et prend en charge les mises à niveau (par exemple, l'échange de 4 Go de RAM pour 8 Go).
5Applications larges: Elle domine l'électronique grand public (smartphones, tablettes), l'automobile (systèmes ADAS), les soins de santé (moniteurs portables) et les télécommunications 5G (stations de base).

Qu'est-ce que la technologie du paquet sur paquet (PoP)?
La PoP est une technique d'emballage avancée qui empile deux ou plusieurs paquets de semi-conducteurs verticalement, créant un module unique et compact.Contrairement au placement traditionnel " côte à côte " (où le processeur et la RAM occupent un espace PCB séparé)Le PoP recouvre des composants essentiels, généralement une puce logique (CPU, SoC) au bas et une puce mémoire (DRAM, flash) au sommet, reliées par de minuscules boules de soudure ou microbumps.Cette conception transforme la façon dont les appareils électroniques sont construits, en privilégiant la miniaturisation sans sacrifier les performances.

Définition de base et but
Au fond, le PoP résout deux des plus grands défis de l'électronique moderne:

1.Restrictions d'espace: à mesure que les appareils deviennent plus minces (par exemple, les smartphones 7 mm), il n'y a plus de place pour les puces côte à côte.
2.Gars d'étranglement de performance: les longs chemins de signal entre les puces éloignées (par exemple, CPU à une extrémité du PCB, RAM à l'autre) provoquent des retards et une perte de signal.transfert de données par surcharge.

Le PoP est également modulaire: chaque puce est testée avant d'être empilée.Cette flexibilité est un énorme avantage par rapport aux paquets intégrés (où les puces sont liées en permanence), réduisant les coûts de réparation de 60%.

Les principaux composants d'une pile de PoP
Une configuration de base de PoP comporte quatre parties critiques; les conceptions avancées ajoutent des extras tels que des interposants pour une meilleure performance:

Exemple: Un module PoP d'un smartphone peut avoir un Snapdragon 8 Gen 4 de 5 nm (package inférieur) empilé avec 8 Go de RAM LPDDR5X (package supérieur), relié par des boules de soudure de 0,4 mm de hauteur.Ce module occupe seulement 15 mm × 15 mm d'espace de PCB ̇ la moitié de la taille du placement côte à côte.

Comment fonctionne la technologie PoP: processus étape par étape
L'assemblage de PoP est un processus axé sur la précision qui nécessite un équipement spécialisé (par exemple, des générateurs de boules de soudage laser, des inspecteurs à rayons X) pour assurer l'alignement et la fiabilité.

1Préparation de l'assemblage
Avant l'empilement, chaque composant doit être nettoyé, testé et préparé pour éviter les défauts:

a. Nettoyage des PCB: le PCB de base est nettoyé à l'aide d'ondes ultrasoniques ou d'air comprimé pour éliminer la poussière, l'huile ou les contaminants résiduels qui brisent les liaisons de soudure.
b.Application de la pâte de soudure: un pochoir (une feuille métallique fine avec de minuscules trous) est utilisé pour appliquer une quantité précise de pâte de soudure sur les emplacements des plaquettes du PCB (où se trouvera le paquet inférieur).
c.Tests de puces: les puces inférieures (logique) et supérieures (mémoire) sont testées individuellement (à l'aide d'un équipement de test automatisé,L'ATE) pour s'assurer que les copeaux fonctionnels défectueux sont éliminés afin d'éviter de perdre du temps à les empiler.

2Placement du paquet inférieur
La puce logique (par exemple, SoC) est placée sur le PCB en premier, car elle est la "fondation" de la pile:

a.Placement précis: une machine de retrait et de placement (avec une précision de 1μ5 μm) place le paquet inférieur sur les plaquettes de PCB recouvertes de pâte de soudure.
b.Fixage temporaire: l'emballage est maintenu en place avec un adhésif à basse température ou sous pression sous vide pour éviter de se déplacer pendant le reflux.

3Placement du colis en haut
La puce de mémoire est empilée directement sur le paquet inférieur, alignée sur ses tampons de soudure:

a.Attachement à bille de soudure: le boîtier supérieur (mémoire) comporte des billes de soudure pré-appliquées (0,06 × 0,9 mm) sur sa surface inférieure. Ces billes correspondent à la disposition du tampon sur le boîtier inférieur.
b.Vérification de l'alignement: un système de vision (caméra + logiciel) assure que le paquet supérieur est parfaitement aligné avec le paquet inférieur, même un décalage de 0,1 mm peut briser les connexions.

4. Soudage par reflux
La pile entière est chauffée pour faire fondre la soudure, créant des liaisons permanentes:

a.Traitement au four: les emballages empilés en PCB+ passent par un four de reflux avec un profil de température contrôlé (par exemple, 250 °C pour la soudure sans plomb).Cela fait fondre la pâte de soudure (sur le PCB) et les boules de soudure du paquet supérieur, formant des connexions électriques et mécaniques solides.
b. Refroidissement: la pile refroidit lentement pour éviter les contraintes thermiques (qui provoquent des fissures de la soudure), ce qui est essentiel pour la fiabilité à long terme.

5. Inspection et tests
Aucun module PoP ne quitte l'usine sans vérification rigoureuse:

a.Inspection par rayons X: les appareils à rayons X recherchent des défauts cachés (par exemple, des trous de soudure, des boules manquantes) qui sont invisibles à l'œil nu.
b. Épreuves électriques: un testeur à "sonde volante" vérifie si les signaux circulent correctement entre les paquets supérieur/inférieur et le PCB.
c. Épreuves mécaniques: le module est soumis à des cycles thermiques (par exemple, de -40°C à 125°C) et à des essais de vibration pour s'assurer qu'il survit à une utilisation réelle.

Astuce professionnelle: les conceptions PoP avancées utilisent des voies à travers le silicium (TSV) “petits trous percés à travers des copeaux” pour connecter des couches au lieu de simples boules de soudure.Les TSV réduisent le retard du signal de 30% et permettent l'empilement 3D (plus de deux couches).

Détails essentiels: Interconnexion et matériaux
La "colle" qui fait fonctionner le PoP est son système d'interconnexion - boules de soudure ou microbumps - et les matériaux utilisés pour construire la pile. Ces choix ont un impact direct sur les performances, la fiabilité et le coût.

Les boules de soudure: l'épine dorsale des connexions PoP
Les boules de soudure sont le principal moyen de connecter les paquets supérieur et inférieur.

Interposers: connexions avancées pour les PoP haute performance
Pour les appareils haut de gamme (par exemple, les stations de base 5G, les GPU de jeu), PoP utilise des interposants – couches minces entre les paquets supérieur et inférieur – pour résoudre les problèmes de signal et de chaleur:

1Une feuille mince (de silicium, de verre ou de matière organique) avec de minuscules fils ou TSV qui agissent comme un "pont" entre les puces.
2Interposants en silicium: La norme d'or pour les performances élevées. Ils ont un câblage ultra-fin (largeur de 1 ¢ 5 μm) et des TSV, permettant plus de 100 000 connexions par module. Utilisé dans des puces comme les GPU NVIDIA.
3Interposants en verre: alternative émergente, moins chère que le silicium, meilleure résistance à la chaleur et compatible avec les grands panneaux. Idéal pour les puces 5G et les centres de données.
4.Interposants organiques: peu coûteux, flexibles et légers. Utilisés dans les appareils grand public (par exemple, les smartphones de milieu de gamme) où le coût compte plus que les performances extrêmes.

Exemple: CoWoS (Chip on Wafer on Substrate) de TSMC est une variante PoP avancée qui utilise un interposant en silicium pour empiler un GPU avec HBM (mémoire haute bande passante).Cette conception offre 5 fois plus de bande passante que le placement côté à côté traditionnel.

Les avantages de la technologie PoP
Le PoP n'est pas seulement une astuce permettant d'économiser de l'espace: il offre des avantages tangibles aux concepteurs, aux fabricants et aux utilisateurs finaux des appareils.

1L'efficacité de l'espace: le premier avantage
Le plus gros avantage de PoP est sa capacité à réduire l'empreinte des PCB.

a.Taille réduite: un module PoP (CPU + RAM) occupe 30 à 50% moins d'espace que le placement côte à côte. Par exemple, un module PoP de 15 mm × 15 mm remplace deux puces de 12 mm × 12 mm (qui occupent 288 mm2 contre 225 mm2).
b.Dispositifs plus minces: l'empilement vertical élimine le besoin de traces de PCB larges entre les puces, permettant des conceptions plus minces (par exemple, les smartphones de 7 mm par rapport aux modèles de 10 mm avec emballage traditionnel).
c.Plus de fonctionnalités: l'espace économisé peut être utilisé pour des batteries plus grandes, de meilleurs appareils photo ou des capteurs supplémentaires.

2Augmentation des performances: plus rapide et plus efficace
Des chemins de signal plus courts entre les puces empilées transforment la performance:

a.Transfert de données plus rapide: les signaux ne transportent que 1 ′′ 2 mm (contre 10 ′′ 20 mm dans les conceptions côte à côte), réduisant le retard (latence) de 20 ′′ 40%. Cela rend le chargement des applications plus rapide et les jeux plus fluides.
b.Utilisation d'énergie réduite: des trajets plus courts signifient moins de résistance électrique, réduisant la consommation d'énergie de 15 à 25%. Un smartphone avec PoP peut durer 1 à 2 heures de plus sur une seule charge.
Une meilleure qualité du signal: une distance réduite réduit le bruit croisé (interférence du signal) et les pertes, améliorant ainsi la fiabilité des données, ce qui est essentiel pour la 5G et la mémoire haute vitesse (LPDDR5X).

Le tableau ci-dessous quantifie ces gains de performance:

3Modularité et souplesse
La conception modulaire du PoP® permet de s'adapter facilement à différents besoins:

a.Mix and match chips: vous pouvez associer un processeur d'un fournisseur (par exemple, MediaTek) à une RAM d'un autre (par exemple, Micron) – pas besoin de redessiner l'ensemble du package.
b.Mise à niveau facile: si vous souhaitez offrir une version "12 Go de RAM" d'un smartphone, il vous suffit d'échanger le paquet supérieur (4 Go → 12 Go) au lieu de changer le PCB.
c.Réparaisons plus simples: si une puce de mémoire tombe en panne, vous remplacez seulement cette partie, pas l'ensemble du module CPU.

4. Économies de coûts (à long terme)
Alors que le PoP a des coûts initiaux plus élevés (équipement spécialisé, tests), il permet d'économiser de l'argent au fil du temps:

a.Coûts de PCB plus bas: les PCB plus petits utilisent moins de matériaux et nécessitent moins de traces, ce qui réduit les coûts de production de 10 à 15%.
b. Moins d'étapes d'assemblage: l'empilement de deux puces dans un module élimine la nécessité de les placer et de les souder séparément, ce qui réduit le temps de travail.
c.Production à grande échelle: à mesure que l'adoption du PoP augmente (par exemple, 80% des smartphones phares utilisent le PoP), les économies d'échelle réduisent les coûts des composants et des équipements.

Applications PoP: où elles sont utilisées aujourd'hui
La technologie PoP est partout dans les appareils que nous utilisons quotidiennement et dans les industries qui stimulent l'innovation.

1L'électronique de consommation: le plus grand utilisateur
Les appareils grand public s'appuient sur le PoP pour équilibrer la miniaturisation et les performances:

a.Smartphones: les modèles phares (iPhone 15 Pro, Samsung Galaxy S24) utilisent le PoP pour leurs modules SoC + RAM, ce qui permet des conceptions minces avec 8 GB ∼ 16 GB de RAM.
Les smartwatches (Apple Watch Ultra, Garmin Fenix) utilisent de minuscules modules PoP (5 mm × 5 mm) pour intégrer un processeur, une RAM et une mémoire flash dans un boîtier de 10 mm d'épaisseur.
c. Tablettes et ordinateurs portables: les appareils 2 en 1 (Microsoft Surface Pro) utilisent le PoP pour économiser de l'espace pour les batteries plus grandes, ce qui prolonge la durée de vie de la batterie de 2 à 3 heures.
d.Consoles de jeu: Les consoles portables (Nintendo Switch OLED) utilisent PoP pour empiler un processeur NVIDIA Tegra personnalisé avec RAM, offrant un gameplay fluide sous une forme compacte.

2. Automobile: alimentation des voitures connectées
Les voitures modernes utilisent le PoP dans les systèmes critiques où l'espace et la fiabilité comptent:

a.ADAS (Advanced Driver Assistance Systems): les modules PoP alimentent les systèmes de radar, de caméra et de lidar. Le stockage d'un processeur avec mémoire réduit la latence, aidant les voitures à réagir plus rapidement aux dangers.
b.Infotainment: Les écrans tactiles des voitures utilisent le PoP pour exécuter les fonctions de navigation, de musique et de connectivité sans occuper trop d'espace sur le tableau de bord.
c. Composants de véhicules électriques: les systèmes de gestion des batteries des véhicules électriques (BMS) utilisent le PoP pour empiler un microcontrôleur avec une mémoire, surveillant l'état de la batterie en temps réel.

3. soins de santé: petits appareils médicaux fiables
Les appareils médicaux portables et portables dépendent de la miniaturisation des PoP:

a. Moniteurs portables: Des appareils comme l'Apple Watch Series 9 (avec ECG) utilisent PoP pour adapter un capteur de fréquence cardiaque, un processeur et une mémoire dans une bande d'épaisseur de 10 mm.
b. Diagnostics portables: Les compteurs de glycémie portables utilisent le PoP pour traiter rapidement les données et stocker les résultats.
c. Dispositifs implantables: alors que la plupart des implants utilisent des emballages plus petits, certains dispositifs externes (p. ex. pompes à insuline) utilisent le PoP pour équilibrer taille et fonctionnalité.

4Télécommunications: 5G et au-delà
Les réseaux 5G ont besoin de puces rapides et compactes

a. Stations de base: les stations de base 5G utilisent le PoP pour empiler des processeurs de signal avec une mémoire, gérant des milliers de connexions dans une petite unité extérieure.
b.Routers et modems: Les routeurs 5G domestiques utilisent PoP pour économiser de l'espace, en installant un modem, un processeur et une RAM dans un appareil de la taille d'un livre.

Le tableau ci-dessous résume les applications industrielles des PoP:

Dernières avancées de la technologie de la poche
Le PoP évolue rapidement, poussé par la demande de dispositifs encore plus petits et plus rapides.
1. PoP 3D: Empilage de plus de deux couches
Le PoP traditionnel comporte deux couches (CPU + RAM), mais le PoP 3D en ajoute d'autres, permettant une intégration encore plus élevée:

Les modules 3D PoP de Samsung pour smartphones sont constitués de 3 couches.fournissant 12 Go de RAM + 256 Go de flash dans un paquet de 15 mm × 15 mm.
b.PoP au niveau des plaquettes (WLPoP): au lieu d'empiler des puces individuelles, des plaquettes entières sont reliées entre elles.

2. Liens hybrides: connexions cuivre à cuivre
Les boules de soudure sont remplacées par des liaisons hybrides (liens cuivre- cuivre) pour des performances extrêmement élevées:

a.Comment cela fonctionne: de minuscules plaquettes de cuivre sur les paquets supérieur et inférieur sont pressées ensemble, créant une connexion directe et à faible résistance.
b.Avantages: 5 fois plus de connexions par mm2 que les boules de soudure; moins de latence (1ns contre 2ns); meilleur transfert de chaleur. Utilisé dans des puces avancées telles que le GPU MI300X d'AMD (pour les centres de données IA).

3Interposants avancés: verre et matériaux organiques
Les interposants en silicium sont excellents pour les performances mais coûteux.

a.Interposers en verre: moins chers que le silicium, plus résistants à la chaleur et compatibles avec les grands panneaux..
b. Interposants organiques: flexibles, légers et peu coûteux. Utilisés dans les appareils grand public tels que les montres intelligentes, où les besoins en performance sont inférieurs à ceux des centres de données.

4Optique co-emballée (CPO): fusion des puces et des optiques
Pour les centres de données, le CPO intègre des composants optiques (p. ex. lasers, détecteurs) avec des piles PoP:

a.Comment cela fonctionne: le boîtier supérieur comprend des pièces optiques qui envoient/reçoivent des données via des fibres optiques, tandis que le boîtier inférieur est un processeur/GPU.
b.Avantages: 50% de consommation d'énergie inférieure à celle des optiques séparées; 10 fois plus de bande passante (100 Gbps + par canal). Utilisé dans les centres de données en nuage (AWS, Google Cloud) pour gérer les charges de travail d'IA.

5- PoP au niveau du panneau (PLPoP): production de masse à grande échelle
L'emballage au niveau des panneaux construit des centaines de modules PoP sur un seul grand panneau (par rapport aux plaquettes individuelles):

a.Avantages: Réduit le temps de production de 40%; réduit le coût par module de 20%. Idéal pour les appareils à volume élevé tels que les smartphones.
b.Défi: les panneaux peuvent se plier lors du traitement de nouveaux matériaux (par exemple, des substrats organiques renforcés) pour résoudre ce problème.

Questions fréquentes
1. Quelle est la différence entre les emballages PoP et 3D IC?
Le PoP empile des paquets complets (par exemple, un paquet CPU + un paquet RAM), tandis que le 3D IC empile des puces nues (matrice non emballée) en utilisant des TSV. Le PoP est plus modulaire (plus facile à remplacer les puces),tandis que l'IC 3D est plus petit et plus rapide (meilleur pour les appareils hautes performances comme les GPU).

2. Les piles de PoP peuvent-elles supporter des températures élevées (par exemple, dans les voitures)?
Oui, le PoP de qualité automobile utilise des soudures résistantes à la chaleur (par exemple, un alliage étain-plomb) et des matériaux (finitions ENIG) qui survivent à -40 °C à 125 °C. Il est testé à plus de 1 000 cycles thermiques pour assurer sa fiabilité.

3Est-ce que le PoP est seulement pour les petits appareils?
Bien que le PoP soit courant dans les smartphones / appareils portables, il est également utilisé dans de grands systèmes tels que les stations de base 5G et les serveurs de centres de données.Ils utilisent des modules PoP plus grands (20 mm × 20 mm +) avec des interposants pour gérer une puissance élevée.

4Combien coûte la technologie PoP par rapport aux emballages traditionnels?
Le PoP a des coûts initiaux de 20 à 30% plus élevés (équipement, tests), mais les économies à long terme (PCB plus petits, moins de réparations) le compensent.Le PoP devient moins cher que les emballages traditionnels.

5Le PoP peut-il être utilisé avec des puces d'IA?
Les puces absolument IA (par exemple, NVIDIA H100, AMD MI300) utilisent des variantes PoP avancées (avec des interposants) pour empiler des GPU avec une mémoire HBM.

Conclusion
La technologie Package on Package (PoP) a redéfini la façon dont nous construisons l'électronique moderne, en transformant "trop petit" en "tout à fait juste" pour les appareils allant des smartphones aux stations de base 5G.Le PoP résout les deux défis de la miniaturisation et de la performance: il réduit l'espace des circuits imprimés de 30 à 50%, réduit la latence de 60% et réduit la consommation d'énergie de 25% tout en maintenant les conceptions modulaires et réparables.

Au fur et à mesure que la technologie avance, le PoP ne fait que s'améliorer. L'empilage 3D, le collage hybride et les interposants en verre repoussent ses limites, permettant des appareils encore plus petits, plus rapides et plus efficaces.Pour les industries comme l'automobile (ADAS) et les soins de santé (moniteurs portables)Le PoP n'est pas seulement un luxe, c'est une nécessité pour répondre à des exigences strictes en matière de taille et de fiabilité.

Pour les concepteurs et les fabricants, le message est clair: le PoP n'est pas seulement une tendance de l'emballage, c'est l'avenir de l'électronique.ou une GPU de centre de données, PoP offre les économies d'espace, les performances et la flexibilité nécessaires pour rester compétitif.Le PoP restera à l'avant-garde de l'innovation et façonnera l'électronique que nous utiliserons demain.