手機需求帶動記憶體多晶片封裝(MCP)技術發展
2005/5/13
點閱數: 1507
手機需求帶動記憶體多晶片封裝(MCP)技術發展
〈CompoTech Asia〉 -->
根據國際研究機構InStat在2004年對美國地區消費者在未來手機功能需求調查顯示，有62.4%的受訪者希望未來的手機能夠具備定位導航的功能，以便看地圖或尋找親友的所在位置；其次，有59.7%的受訪者希望未來手機能收發電子郵件；第三，有37.3%的受訪者希望未來手機具有收發數位相片的功能，使用者可以透過手機與朋友互傳相片，或將照片傳至個人電腦中儲存；第四，10.8%的受訪者希望能在手機上玩遊戲或透過手機進行多人連線遊戲；最後則有7.7%的受訪者希望能在手機上聽音樂或下載、傳送音樂檔案。 由此調查結果可以發現，未來能吸引消費者採購的手機主要功能包括：定位導航、多媒體訊息(Multimedia Messaging Service；MMS)的收發、資料傳輸(包含電子郵件收發與個人電腦同步處理)、影音以及遊戲娛樂功能等。先進手機廠商為了迎合消費者的需求，目前正在研發中或已有少量產品問世的應用功能如雙網手機、數位電視手機及MP3手機等。 手機，不只是通訊裝置 整合無線區域網路與手機網路的「雙網手機」，可說是目前最受產官研重視的下一代手機型態。雙網手機的發展目標一方面是希望能夠透過雙網的結合，以建立無縫隙的行動通訊環境與應用終端；另一方面則希望能藉由手機結合無線區域網路的高速率傳輸特性，以擴大行動通訊服務的應用領域。 由於數位電視相關標準組織為了能擴大數位電視的應用範圍，從2003年起陸續開發行動終端用的數位電視技術規格，讓行動通訊服務與終端製造業者得以跨入這個市場，期望把手機重新定位為具備影音視聽功能的行動娛樂終端。 在MP3音樂隨身播放器逐漸具有取代傳統CD隨身聽的態勢後，由於MP3音樂與數位相機一樣具有可獨立運作，無需系統服務業者配合的特性，且內建MP3功能僅需音效解碼器、播放程式與較大的儲存記憶體等軟硬體設計，因此成為繼數位相機與手機整合後，另一個被視為極具市場吸引力的殺手級應用。 行動記憶體備受矚目 由手機多媒體應用日漸增多的趨勢來看，記憶體容量多寡已成為下一代手機能否添增各項多媒體功能的關鍵因素之一。常見的手機記憶體主要包含NOR Flash、NAND Flash、Low Power SRAM及Pseudo SRAM等。 NOR Flash是由英特爾(Intel)所發展出來的架構，讀取速度較NAND Flash快，可以在單位區塊(Block)上進行讀寫，需要高電壓和較長的塗抹時間，主要做為程式碼(Code)儲存之用，而技術領先者為英特爾、超微(AMD)及富士通(Fujitsu)。手機為NOR Flash最主要的應用，目前NOR Flash主流容量為64Mb，2004年出貨量為5.96億顆；128Mb及32Mb排名第二及第三，出貨量分別為4.2億及4.1億顆。 NAND Flash是由東芝(Toshiba)所發展出來的架構，讀取資料速度較NOR Flash慢，但有較小的記憶晶胞(Memory Cell)面積，每Megabit成本較NOR Flash為低，因此目前市面上的大容量Flash產品都以NAND Flash為主，可作為消費性電子產品資料(Data)儲存之用，主要技術領先者為東芝及三星(Samsung)。數位相機及手機等產品之大量影音資料儲存是NAND Flash最主要的應用，大部分為快閃記憶卡的產品型態。目前NAND Flash主流容量為512Mb及1Gb，2004年出貨量分別為2.05億及2億顆；256Mb及128Mb排名第三及第四，出貨量分別為1.1億及1億顆。 Low Power SRAM主要為傳統六個電晶體的結構，因此在體積及成本上會比Pseudo SRAM高，目前主流容量為8Mb，2004年出貨量為2.6億顆(45ns以上)；而4Mb排名第二，出貨量為1.8億顆；其次是2Mb及1Mb，出貨量分別為1億及0.96億顆。 Pseudo SRAM是以DRAM記憶胞(Cell)為資料儲存架構，並結合SRAM的I/O與控制介面。Pseudo SRAM為一個電晶體和一個電容的結構，體積比六個電晶體結構的Low Power SRAM小，故成本較便宜。而目前Pseudo SRAM在16Mb以上的容量，開始出現取代Low Power SRAM的趨勢。Pseudo SRAM現今的主流容量為64Mb，2004年出貨量為0.8億顆；32Mb排名第二，有0.65億顆；16Mb排名第三，有0.28億顆；128Mb排名第四，有0.05億顆。 多晶片封裝：往上堆疊成主流 由於手機多媒體應用日漸增多，造成手機記憶體容量需求亦隨之增加，然而因手機輕薄短小的趨勢，所以記憶體晶片在系統產品中能用的空間愈來愈小，故將手機記憶體NOR Flash、NAND Flash、Low Power SRAM及Pseudo SRAM堆疊封裝成一顆的多晶片封裝(Multi-Chip Packaging:MCP)技術很普遍地應用在手機上，以節省空間達到輕薄短小的目的(如圖1所示)。 觀察近年來MCP技術發展，以韓國三星電子較其它廠商積極，在2005年1月宣佈已發展出全球首見8顆晶片堆疊的MCP技術(如圖2所示)，計畫應用在高容量記憶體的行動產品，例如3G高階行動電話，與其它體積愈趨迷你的行動應用電子裝置市場。此產品的尺寸為11mm×14mm×1.4mm，內含2顆1Gb NAND Flash，2顆256Mb NOR Flash，2顆256Mb Mobile DRAM，以及1顆128Mb及1顆64Mb的UtRAM(Unit Transistor RAM)，記憶體容量達3.2Gb。三星電子曾於2003年11月開發出6顆晶片堆疊的MCP技術，一年後又提升至8顆晶片，顯示非常重視此技術的發展。 三星電子隨即在2005年2月表示已開始量產全球最大容量的2.5Gb MCP記憶體，而過去MCP最大容量為1.5Gb。此次量產的產品係將2顆1Gb NAND Flash與2顆256Mb Mobile DRAM堆疊，4顆晶片整合於單一封裝的MCP。其中，NAND型快閃記憶體可於3G手機儲存動態影像與照片等大容量數據，Mobile DRAM則用作臨時儲存、處理大容量數據的緩衝記憶體(Buffer Memory)。若是內建於手機，最多可儲存及處理4小時的QVGA級(畫素數：320×240)高畫質動態影像，表示可以手機約下載兩部電影觀看。 MCP引發高度關切 由55個國家與經濟體早已達成資訊科技協定(Information Technology Agreement；ITA)，要取消半導體關稅；而在ITA協定施行後，部分國家又對後來興起的MCP課徵2~8%不等的關稅。半導體產業協會(Semiconductor Industry Association；SIA)認為MCP與其它半導體封裝無異，於2005年3月呼籲相關國家取消對MCP模組的關稅，且此措施應當擴充到世界貿易組織(World Trade Organization；WTO)架構的成員國當中。 南韓政府針對MCP課徵8%關稅，較其它國家高出許多，但經過美國政府施壓之後，才減少到與美國相仿的2.6%稅率。根據JMS(Japan Marketing Survey)所提供的2004年全球MCP封裝產能資料中，南韓僅佔6.5%(幾乎全來自於三星電子)，而日本最高佔41.8%，北美次之佔27%，台灣第三佔14%。推測南韓政府認定MCP技術將是未來手機記憶體的發展趨勢，之前將關稅提升至8%，乃保護國內三星電子對此技術之發展。而經過美國政府施壓之後，南韓的MCP關稅從8%減少到2.6%，使得三星電子MCP記憶體在南韓國內的價格優勢降低，可能會影響其在南韓的市佔率。 過去手機記憶體只需要NOR Flash及Low Power SRAM，但隨手機朝向3G及4G的技術向前發展，不僅手機記憶體需求的種類增多，例如還需要NAND Flash及Pseudo SRAM等，而且在容量的要求也日漸增加。在手機功能愈強且記憶體空間有限的情況下，MCP也由2 Chip、3 Chip發展至現在的8 Chip，以迎合未來手機對記憶體的需求(如圖3所示)。 MCP技術發展的關鍵在於封裝厚度的控制及測試的問題。一般來說，MCP所堆疊的記憶體晶片數量愈多，它的厚度也將隨之增加，所以在整個設計過程中需控制晶片的厚度以減少晶片堆疊的空間。三星最近所發表的8顆晶片MCP厚度為1.4mm，這僅相當於目前4顆晶片MCP的厚度，表示即使堆疊的晶片數量增加，其厚度還是需控制在1.4mm左右。 結語 由於使用MCP的封裝技術時，若有一顆IC失效，將連帶造成整個構裝體中的所有IC無法運作，除了影響整體良率外，更會導致成本的大幅提高。而隨著MCP堆疊的晶片愈來愈多，對於良率的影響將愈來愈嚴重。因此在封裝前就需要確認IC的好壞與否，將成為MCP封裝流程的重要步驟。良好裸晶(Known Good Die；KGD)的測試，指的是晶圓在製作完成後，未經封裝即進行全功能測試(Full Functional Testing)，甚或進行晶圓級的預燒測試(Wafer Level Burn-in Testing)；然而現階段晶圓級預燒測試的技術發展尚未成熟，且高密度的探針卡(Probe Card)所需成本仍高。在未來MCP的發展之途，廠商仍需以KGD測試技術的成熟發展為基石，才能有效降低其成本。 除了發展MCP的技術難度愈來愈高，還要面對非揮發性記憶體Flash所將面臨的技術瓶頸，例如微縮不易及讀寫時間長等。許多先進廠商如Motorola、IBM及Infineon等大廠，投入下一代非揮發性記憶體MRAM的開發，為未來非揮發性記憶體市場進行佈局。若是以MRAM來取代整個手機記憶體，在消耗電力、速度、體積及成本上將會比MCP記憶體更具優勢，例如消耗電力比SRAM更低，速度比Flash更快，測試封裝比MCP更容易，且體積更小，而且成本有機會更低。 目前最大容量為IBM和Infineon於2004年6月所共同發表的16Mb MRAM，但目前手機MCP記憶體以64Mb的NOR Flash搭配8或16Mb的SRAM為主流，故現在MRAM的技術水準尚無法應用到主流的手機記憶體。在MRAM可以實際應用於手機之前，MCP是個過渡的技術，可以先滿足手機記憶體的需求。若未來MRAM容量可以達128Mb以上時，則有機會接替MCP的位置，進入手機記憶體市場。
點閱數: 1507
手機需求帶動記憶體多晶片封裝(MCP)技術發展
〈CompoTech Asia〉 -->
根據國際研究機構InStat在2004年對美國地區消費者在未來手機功能需求調查顯示，有62.4%的受訪者希望未來的手機能夠具備定位導航的功能，以便看地圖或尋找親友的所在位置；其次，有59.7%的受訪者希望未來手機能收發電子郵件；第三，有37.3%的受訪者希望未來手機具有收發數位相片的功能，使用者可以透過手機與朋友互傳相片，或將照片傳至個人電腦中儲存；第四，10.8%的受訪者希望能在手機上玩遊戲或透過手機進行多人連線遊戲；最後則有7.7%的受訪者希望能在手機上聽音樂或下載、傳送音樂檔案。 由此調查結果可以發現，未來能吸引消費者採購的手機主要功能包括：定位導航、多媒體訊息(Multimedia Messaging Service；MMS)的收發、資料傳輸(包含電子郵件收發與個人電腦同步處理)、影音以及遊戲娛樂功能等。先進手機廠商為了迎合消費者的需求，目前正在研發中或已有少量產品問世的應用功能如雙網手機、數位電視手機及MP3手機等。 手機，不只是通訊裝置 整合無線區域網路與手機網路的「雙網手機」，可說是目前最受產官研重視的下一代手機型態。雙網手機的發展目標一方面是希望能夠透過雙網的結合，以建立無縫隙的行動通訊環境與應用終端；另一方面則希望能藉由手機結合無線區域網路的高速率傳輸特性，以擴大行動通訊服務的應用領域。 由於數位電視相關標準組織為了能擴大數位電視的應用範圍，從2003年起陸續開發行動終端用的數位電視技術規格，讓行動通訊服務與終端製造業者得以跨入這個市場，期望把手機重新定位為具備影音視聽功能的行動娛樂終端。 在MP3音樂隨身播放器逐漸具有取代傳統CD隨身聽的態勢後，由於MP3音樂與數位相機一樣具有可獨立運作，無需系統服務業者配合的特性，且內建MP3功能僅需音效解碼器、播放程式與較大的儲存記憶體等軟硬體設計，因此成為繼數位相機與手機整合後，另一個被視為極具市場吸引力的殺手級應用。 行動記憶體備受矚目 由手機多媒體應用日漸增多的趨勢來看，記憶體容量多寡已成為下一代手機能否添增各項多媒體功能的關鍵因素之一。常見的手機記憶體主要包含NOR Flash、NAND Flash、Low Power SRAM及Pseudo SRAM等。 NOR Flash是由英特爾(Intel)所發展出來的架構，讀取速度較NAND Flash快，可以在單位區塊(Block)上進行讀寫，需要高電壓和較長的塗抹時間，主要做為程式碼(Code)儲存之用，而技術領先者為英特爾、超微(AMD)及富士通(Fujitsu)。手機為NOR Flash最主要的應用，目前NOR Flash主流容量為64Mb，2004年出貨量為5.96億顆；128Mb及32Mb排名第二及第三，出貨量分別為4.2億及4.1億顆。 NAND Flash是由東芝(Toshiba)所發展出來的架構，讀取資料速度較NOR Flash慢，但有較小的記憶晶胞(Memory Cell)面積，每Megabit成本較NOR Flash為低，因此目前市面上的大容量Flash產品都以NAND Flash為主，可作為消費性電子產品資料(Data)儲存之用，主要技術領先者為東芝及三星(Samsung)。數位相機及手機等產品之大量影音資料儲存是NAND Flash最主要的應用，大部分為快閃記憶卡的產品型態。目前NAND Flash主流容量為512Mb及1Gb，2004年出貨量分別為2.05億及2億顆；256Mb及128Mb排名第三及第四，出貨量分別為1.1億及1億顆。 Low Power SRAM主要為傳統六個電晶體的結構，因此在體積及成本上會比Pseudo SRAM高，目前主流容量為8Mb，2004年出貨量為2.6億顆(45ns以上)；而4Mb排名第二，出貨量為1.8億顆；其次是2Mb及1Mb，出貨量分別為1億及0.96億顆。 Pseudo SRAM是以DRAM記憶胞(Cell)為資料儲存架構，並結合SRAM的I/O與控制介面。Pseudo SRAM為一個電晶體和一個電容的結構，體積比六個電晶體結構的Low Power SRAM小，故成本較便宜。而目前Pseudo SRAM在16Mb以上的容量，開始出現取代Low Power SRAM的趨勢。Pseudo SRAM現今的主流容量為64Mb，2004年出貨量為0.8億顆；32Mb排名第二，有0.65億顆；16Mb排名第三，有0.28億顆；128Mb排名第四，有0.05億顆。 多晶片封裝：往上堆疊成主流 由於手機多媒體應用日漸增多，造成手機記憶體容量需求亦隨之增加，然而因手機輕薄短小的趨勢，所以記憶體晶片在系統產品中能用的空間愈來愈小，故將手機記憶體NOR Flash、NAND Flash、Low Power SRAM及Pseudo SRAM堆疊封裝成一顆的多晶片封裝(Multi-Chip Packaging:MCP)技術很普遍地應用在手機上，以節省空間達到輕薄短小的目的(如圖1所示)。 觀察近年來MCP技術發展，以韓國三星電子較其它廠商積極，在2005年1月宣佈已發展出全球首見8顆晶片堆疊的MCP技術(如圖2所示)，計畫應用在高容量記憶體的行動產品，例如3G高階行動電話，與其它體積愈趨迷你的行動應用電子裝置市場。此產品的尺寸為11mm×14mm×1.4mm，內含2顆1Gb NAND Flash，2顆256Mb NOR Flash，2顆256Mb Mobile DRAM，以及1顆128Mb及1顆64Mb的UtRAM(Unit Transistor RAM)，記憶體容量達3.2Gb。三星電子曾於2003年11月開發出6顆晶片堆疊的MCP技術，一年後又提升至8顆晶片，顯示非常重視此技術的發展。 三星電子隨即在2005年2月表示已開始量產全球最大容量的2.5Gb MCP記憶體，而過去MCP最大容量為1.5Gb。此次量產的產品係將2顆1Gb NAND Flash與2顆256Mb Mobile DRAM堆疊，4顆晶片整合於單一封裝的MCP。其中，NAND型快閃記憶體可於3G手機儲存動態影像與照片等大容量數據，Mobile DRAM則用作臨時儲存、處理大容量數據的緩衝記憶體(Buffer Memory)。若是內建於手機，最多可儲存及處理4小時的QVGA級(畫素數：320×240)高畫質動態影像，表示可以手機約下載兩部電影觀看。 MCP引發高度關切 由55個國家與經濟體早已達成資訊科技協定(Information Technology Agreement；ITA)，要取消半導體關稅；而在ITA協定施行後，部分國家又對後來興起的MCP課徵2~8%不等的關稅。半導體產業協會(Semiconductor Industry Association；SIA)認為MCP與其它半導體封裝無異，於2005年3月呼籲相關國家取消對MCP模組的關稅，且此措施應當擴充到世界貿易組織(World Trade Organization；WTO)架構的成員國當中。 南韓政府針對MCP課徵8%關稅，較其它國家高出許多，但經過美國政府施壓之後，才減少到與美國相仿的2.6%稅率。根據JMS(Japan Marketing Survey)所提供的2004年全球MCP封裝產能資料中，南韓僅佔6.5%(幾乎全來自於三星電子)，而日本最高佔41.8%，北美次之佔27%，台灣第三佔14%。推測南韓政府認定MCP技術將是未來手機記憶體的發展趨勢，之前將關稅提升至8%，乃保護國內三星電子對此技術之發展。而經過美國政府施壓之後，南韓的MCP關稅從8%減少到2.6%，使得三星電子MCP記憶體在南韓國內的價格優勢降低，可能會影響其在南韓的市佔率。 過去手機記憶體只需要NOR Flash及Low Power SRAM，但隨手機朝向3G及4G的技術向前發展，不僅手機記憶體需求的種類增多，例如還需要NAND Flash及Pseudo SRAM等，而且在容量的要求也日漸增加。在手機功能愈強且記憶體空間有限的情況下，MCP也由2 Chip、3 Chip發展至現在的8 Chip，以迎合未來手機對記憶體的需求(如圖3所示)。 MCP技術發展的關鍵在於封裝厚度的控制及測試的問題。一般來說，MCP所堆疊的記憶體晶片數量愈多，它的厚度也將隨之增加，所以在整個設計過程中需控制晶片的厚度以減少晶片堆疊的空間。三星最近所發表的8顆晶片MCP厚度為1.4mm，這僅相當於目前4顆晶片MCP的厚度，表示即使堆疊的晶片數量增加，其厚度還是需控制在1.4mm左右。 結語 由於使用MCP的封裝技術時，若有一顆IC失效，將連帶造成整個構裝體中的所有IC無法運作，除了影響整體良率外，更會導致成本的大幅提高。而隨著MCP堆疊的晶片愈來愈多，對於良率的影響將愈來愈嚴重。因此在封裝前就需要確認IC的好壞與否，將成為MCP封裝流程的重要步驟。良好裸晶(Known Good Die；KGD)的測試，指的是晶圓在製作完成後，未經封裝即進行全功能測試(Full Functional Testing)，甚或進行晶圓級的預燒測試(Wafer Level Burn-in Testing)；然而現階段晶圓級預燒測試的技術發展尚未成熟，且高密度的探針卡(Probe Card)所需成本仍高。在未來MCP的發展之途，廠商仍需以KGD測試技術的成熟發展為基石，才能有效降低其成本。 除了發展MCP的技術難度愈來愈高，還要面對非揮發性記憶體Flash所將面臨的技術瓶頸，例如微縮不易及讀寫時間長等。許多先進廠商如Motorola、IBM及Infineon等大廠，投入下一代非揮發性記憶體MRAM的開發，為未來非揮發性記憶體市場進行佈局。若是以MRAM來取代整個手機記憶體，在消耗電力、速度、體積及成本上將會比MCP記憶體更具優勢，例如消耗電力比SRAM更低，速度比Flash更快，測試封裝比MCP更容易，且體積更小，而且成本有機會更低。 目前最大容量為IBM和Infineon於2004年6月所共同發表的16Mb MRAM，但目前手機MCP記憶體以64Mb的NOR Flash搭配8或16Mb的SRAM為主流，故現在MRAM的技術水準尚無法應用到主流的手機記憶體。在MRAM可以實際應用於手機之前，MCP是個過渡的技術，可以先滿足手機記憶體的需求。若未來MRAM容量可以達128Mb以上時，則有機會接替MCP的位置，進入手機記憶體市場。
posted by C.H. Chen @ 12:39 PM
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