パッケージ技術上のパッケージとは何か,どのように機能するか

超薄型スマートフォンから コンパクトな医療用ウェアラブルまで 細くて速く 強力な電子機器を製造する競争では 伝統的な横並みのチップ配置が 壁にぶつかりましたパッケージ上のパッケージ (PoP) 技術を入力: ゲームを変えるソリューションで,チップパケット (例えば,プロセッサを底に,メモリを上に) を垂直に積み重ね,PCBスペースを最大50%削減し,パフォーマンスを向上させます.PoPはスペースを節約するだけでなく信号経路を短縮し,電力消費を削減し,アップグレードを容易にするその主な利点未来を形作る最新の進歩です

主要 な 教訓
1空間効率: PoPはチップを垂直に (横並んで) 積み重ね,PCBの足跡を30~50%削減し,スマートウォッチや折りたたみ可能な電話などのより薄いデバイスを可能にします.
2.高速性能:積み重ねられたチップ (例えば,CPU + RAM) の間の信号経路が短縮され,遅延は20~40%減少し,消費電力は15~25%減少します.
3モジュラリティ:各チップはテストされ,個別に交換できます. 欠陥のあるRAMチップを修正するには,プロセッサパッケージ全体を交換する必要はありません.
4汎用性: 異なるサプライヤーのチップ (例えば,Qualcomm CPU + Samsung RAM) で動作し,アップグレード (例えば,4GB RAMを8GBに交換) をサポートする.
5幅広い用途: 消費者電子機器 (スマートフォン,タブレット),自動車 (ADASシステム),医療 (ウェアラブルモニター),および5G通信 (ベースステーション) を支配する.

パッケージ上のパッケージ (PoP) テクノロジーとは?
PoPは,2つ以上の半導体パケットを垂直に積み重ね,単一のコンパクトモジュールを作成する高度なパッケージング技術です.伝統的な"並列"配置とは異なり (CPUとRAMが別々のPCBスペースを占める)PoPは重要な部品を覆い,通常,底に論理チップ (CPU,SoC) と上にはメモリチップ (DRAM,フラッシュ) があり,小さな溶接ボールまたはマイクロポンプで接続されています.このデザインは電子機器の構築方法を変えてくれます性能を犠牲にせずに小型化を優先する.

基本 の 定義 と 目的
PoPは現代の電子機器における 2つの大きな課題を解決します

1空間制限: デバイスが薄くなると (7mm スマートフォンなど) 隣接チップのスペースがなくなる. PoPはコンポーネントを積み重ねて水平ではなく垂直空間を使用する.
2性能ボトルネック:遠隔のチップ間の長い信号経路 (例えば,PCBの片端にCPU,もう片端にRAM) は遅延と信号損失を引き起こす.PoPはチップをミリメートル離れた場所に置く.超充電データ転送.

PoPもモジュール化です.各チップは積み重ねる前にテストされます.メモリチップが故障すると,モジュール全体をではなくその部分だけ交換します.この柔軟性は統合パッケージ (チップが永久に結合されている) よりも大きな利点です修理コストを60%削減しました

PoP スタックの主要な構成要素
PoPの基本設定には4つの重要な部分があり,高度なデザインでは,より優れたパフォーマンスのためにインターポーザーなどのエクストラを追加します.

例:スマートフォンのPoPモジュールは,5nmのSnapdragon 8 Gen 4 (下部パッケージ) と8GBのLPDDR5X RAM (上部パッケージ) を積み重ね,0.4mmピッチの溶接ボールで接続されている可能性があります.このモジュールは PCB の 15mm × 15mm のスペースを占めています.

PoP テクノロジーの仕組み: 段階的なプロセス
PoP組成は精密駆動プロセスで,準拠と信頼性を確保するために専門機器 (例えば,レーザー溶接ボールジェッター,X線検査機) が必要です.以下の標準ワークフローは:

1組み立て前準備
積み重ねる前に,すべての部品は,欠陥を避けるために清掃,試験,準備する必要があります:

a.PCB清掃: ベースPCBは超音波または圧縮空気で清掃され,溶接結合を壊す塵,油,または残留汚染物質を除去する.
溶接パスタの適用: ステンシル (細い穴を持つ薄い金属シート) を使用して,正確な量の溶接パスタをPCBのパッドの位置 (下のパッケージが座る場所) に塗装します.
c.チップテスト:下部 (論理) と上部 (メモリ) のチップはそれぞれテストされます (自動化試験機器を使用します.機能不良のチップを廃棄し,積み重ねに時間を無駄にしないようにする..

2下のパッケージの配置
ロジックチップ (SoC) は最初にPCBに置かれ,それはスタックの"基盤"である.

a.精密配置: ピック・アンド・プレイス・マシン (精度1μ5μm) は,底部パッケージを溶接パストで覆われたPCBパッドに配置する.
b.一時固定: 低温の粘着剤または真空圧でパッケージを固定し,リフロー中に移動を防止する.

3. 上部パッケージの配置
メモリチップは,底部パッケージの上に直接積み上げられ,溶接パッドに並べられています.

a.溶接ボール付属:上部パッケージ (メモリー) は,下部表面に前もって溶接ボール (0.06~0.9mm) を適用しています.これらのボールが下部パッケージのパッドレイアウトに一致します.
b.アライナメントチェック:ビジョンシステム (カメラ+ソフトウェア) は,上部パケットが下部パケットと完璧にアライナメントされていることを保証します.0.1mmのアライナメントが間違っても接続が切断されます.

4リフロー溶接
溶接剤を溶かすために スタック全体を熱し 恒久的な結合を作り出します

a.オーブン加工:PCB+積み重ねたパッケージは,制御温度プロファイル (例えば,無鉛溶接料のピークは250°C) を有するリフローオーブンを通過する.これは,溶接パスタ (PCB上の) とトップパッケージの溶接ボールを溶かす強い電気と機械的な接続を形成する.
b.冷却: 耐久性のために重要な熱圧 (溶接器の裂け目を引き起こす) を避けるために,スタックがゆっくり冷却されます.

5検査と試験
工場から PoP モジュールは 厳格な検査を受けずに 出て行かない

a.X線検査:X線機器は,肉眼では見えない隠れた欠陥 (例えば,溶接穴,欠けている球) を探します.
(b) 電気試験: "飛行探査機"の試験機は,上下のパッケージとPCBの間に信号が正しく流れているかどうかを検査する.
c.機械試験: モジュールは,熱サイクル (例えば,-40°Cから125°C) と振動試験を受け,実際の使用に耐えられるようにします.

プロのヒント: 先進的なPPP設計では 溶接ボールではなく 細い穴で層をつなげますTSVは信号遅延を30%削減し,3Dスタッキング (2層以上) を可能にします.

重要な詳細: 相互接続と材料
PoP を機能させる"粘着剤"は,その相互接続システム―溶接球またはマイクロポンプ―およびスタックを構築するために使用された材料である.これらの選択は,性能,信頼性,コストに直接影響する.

溶接 球: PoP 接続 の 骨組み
溶接ボール は,上部 と 下部 の パッケージ が 接続 する 主要 な 方法 です.その サイズ,合金,配置 は,スタック の 機能 を 決定 し ます.

インターポーザー:高性能PoPのための高度な接続
高級デバイス (例えば5Gベースステーション,ゲームGPU) では,PoPは信号と熱の課題を解決するために,上下パッケージの間の薄い層のインターポーザーを使用します.

1インターポーザーとは? 芯片間の"橋"として機能する小さなワイヤーやTSVを持つ薄いシート (シリコン,ガラス,または有機材料) で,電力を配分し,クロスストークを削減し,熱を拡散します.
2.シリコンインターポーザー:高性能のためのゴールドスタンダード.超細い配線 (幅5μm) とTSVがあり,モジュールあたり10万以上の接続を可能にします.NVIDIA GPUなどのチップで使用されます.
3ガラスのインターポーザー: シリコンよりも安く,熱耐性も高く,大型パネルと互換性がある新型代替品. 5Gおよびデータセンターチップに最適です.
4オーガニックインターポーザー:低コストで柔軟で軽量.消費機器 (例えば,中級スマートフォン) で使用され,コストは極端な性能よりも重要です.

例: TSMCのCoWoS (Chip on Wafer on Substrate) は,HBM (High-Bandwidth Memory) で GPU を積み重ねるためにシリコンインターポーザーを使用する高度な PoP バリアントである.このデザインは,従来の横の配置よりも 5倍以上の帯域幅を提供します..

ポップ テクノロジー の 利点
PoPは空間節約のトリックだけでなく デバイスの設計者,製造者,およびエンドユーザーに 実質的な利点をもたらします

1空間効率:第一のメリット
PoPの最大の売り点は PCBの足跡を縮小する能力です

a.小サイズ:PoPモジュール (CPU+RAM) は,並列配置よりも30~50%少ないスペースを占めています.例えば,15mm × 15mm PoPモジュールは,2つの12mm × 12mmチップ (288mm2対225mm2を占める) を置き換えます.
b.より薄いデバイス:垂直スタッキングにより,チップ間の広いPCB痕跡の必要性がなくなり,より薄い設計が可能になります (例:従来のパッケージ付きの7mmスマートフォンと10mmモデル).
c.より多くの機能:節約されたスペースは,より大きなバッテリー,より良いカメラ,または競争力のある消費者電子機器のための追加センサーのために使用できます.

2性能向上:より速く,より効率的に
積み重なったチップ間の信号経路が短くなると,変換性能が低下します.

a.より速いデータ転送:シグナルが移動する距離はわずか1 ∼2mm (横並みの設計では10 ∼20mm) で,遅延 (レイテンシー) は20 ∼40%減少します. これにより,アプリがより速く読み込み,ゲームがよりスムーズに動作します.
b.低電力消費:より短い経路は電気抵抗が少なくなり,消費電力を15~25%削減します.PoP搭載のスマートフォンは1回充電で1~2時間長く使用できます.
c.よりよい信号品質:距離が短くなると,クロスストック (信号の干渉) と損失が減少し,5Gと高速メモリ (LPDDR5X) に不可欠なデータ信頼性が向上します.

下の表は,これらの業績向上を定量化しています.

3模様性と柔軟性
PoPのモジュール式設計により,さまざまなニーズに簡単に適応できます.

a.Mix and match チップ: 1つのサプライヤー (例えば,MediaTek) からCPUを別のサプライヤー (例えば,Micron) からRAMとペアリングできます.パッケージ全体を再設計する必要はありません.
スマートフォンで"12GB RAM"のバージョンを提供したい場合は,PCBの交換ではなくトップパッケージ (4GB → 12GB) を交換するだけです.
c.シンプルな修理:メモリチップが故障した場合,CPUモジュール全体をではなく,その部分だけを交換します.これは製造業者にとって修理コストを60%削減します.

4費用削減 (長期)
PoPは初期費用 (専門機器,テスト) が高くなる一方で,時間とともにコストを節約します.

a.PCBのコストが低く:より小さなPCBは,材料を少なく使用し,痕跡を少なく必要とし,生産コストを10~15%削減します.
b. 組立手順が少ない: 2つのチップを1つのモジュールに積み重ねることで,それらを別々に配置し溶接する必要性がなくなり,労働時間を短縮します.
規模生産: PoPの採用が増加するにつれて (例えば,旗艦スマートフォンの80%がPoPを使用),スケール経済は部品と設備コストを下げます.

PoP の 応用: 今日 使われている場所
PoP技術は日常使用の機器やイノベーションを推進する産業に どこにでもあります

1消費者電子機器: 最大の採用者
消費機器は,小型化とパフォーマンスをバランスするためにPoPに依存しています.

a.スマートフォン:フラッグシップモデル (iPhone 15 Pro,Samsung Galaxy S24) は,SoC+RAMモジュールでPoPを使用し,RAMの8GB~16GBを搭載した薄型設計が可能になります.
b.ウェアラブル:スマートウォッチ (Apple Watch Ultra,Garmin Fenix) は,CPU,RAM,フラッシュメモリを10mm厚のケースに収納するために小さなPoPモジュール (5mm × 5mm) を使用します.
c.タブレットとノートPC: 2対1デバイス (Microsoft Surface Pro) は,大きなバッテリーにスペースを節約するためにPoPを使用し,バッテリーの寿命を2〜3時間延長します.
d.ゲームコンソール:ハンドヘルド (ニンテンドー スイッチ OLED) は,カスタム化されたNVIDIA Tegra CPUとRAMをスタックするためにPoPを使用し,コンパクトな形式でスムーズなゲームプレイを提供します.

2自動車業界: 接続された自動車の推進
空間と信頼性が重要な重要なシステムで PoPを使用します

a.ADAS (Advanced Driver Assistance Systems): PoPモジュールはレーダー,カメラ,リダールシステムを動かす.プロセッサをメモリで積み重ねることで遅延が軽減され,自動車が危険に対してより早く反応するのを助けます.
b.インフォテインメント: 車のタッチスクリーンは,ダッシュボードのスペースをあまり占めずに PoP を使用してナビゲーション,音楽,接続機能を実行します.
c.EVコンポーネント:電動車両のバッテリー管理システム (BMS) は,PoPを使用して,メモリを搭載したマイクロコントローラを積み重ね,バッテリーの状態をリアルタイムで監視する.

3医療: 小さく信頼性の高い医療機器
医療用ウェアラブルや携帯機器は PoPの小型化に依存しています

a.ウェアラブルモニター: Apple Watch Series 9 (ECG付き) などのデバイスは PoP を使用し,心拍数センサー,CPU,メモリを 10mm 厚のバンドに収納します.
b.ポータブル診断: 手持ちの血糖計は PoP を使用してデータを迅速に処理し,糖尿病患者にとって重要な結果を保存します.
c.インプラント可能な装置:ほとんどのインプラントは小さなパッケージを使用していますが,一部の外部装置 (例えばインスリンポンプ) は,サイズと機能のバランスを取るためにPoPを使用しています.

4通信: 5G 及びそれ以上の分野
5Gネットワークは高速でコンパクトなチップを必要とします

a.ベースステーション: 5Gベースステーションは PoP を使用して信号プロセッサをメモリで積み重ね,小さな屋外ユニットで数千の接続を処理します.
b.ルーターとモデム:家庭用5Gルーターは PoPを使用してスペースを節約し,モデム,CPU,RAMを本ほどのサイズに搭載します.

下の表は,PoPの産業用アプリケーションを要約しています.

PoP テクノロジー の 最新 の 進歩
PoP は,より小さく,より高速なデバイスの需要によって急速に進化しています.以下は,最も影響力のある最近の発展です:
13D PoP: 2層以上積み重ねる
伝統的なPoPは2つの層 (CPU+RAM) を積み重ねていますが,3DPoPはさらに多く追加され,さらに高い統合が可能になります:

a.TSV駆動スタッキング:シリコンバイアス (TSVs) は,3層以上の層 (例えば,CPU + RAM + フラッシュメモリ) を接続するためにチップを掘り下げます.スマートフォン用の三次元PoPモジュールは3層をスタックします.12GB RAM + 256GB フラッシュを 15mm × 15mm パッケージで提供する.
b.Wafer-Level PoP (WLPoP): 個々のチップを積み重ねる代わりに,クレイバー全体が結合されます.これはコストを削減し,中級スマートフォンなどの高容量デバイスで使用されるアライナメントを向上させます.

2ハイブリッド結合:銅と銅の接続
溶接ボールがハイブリッド結合 (銅と銅の結合) で置き換えられ,超高性能となる.

a.どのように動作する.上部と下部のパッケージの小さな銅パッドが一緒に圧迫され,直接,低抵抗の接続を作成します.溶接は必要ありません.
b.メリット:溶接ボールよりも1mm2あたり5倍以上の接続;遅延が低い (1ns対2ns);よりよい熱転送.AMDのMI300X GPU (AIデータセンターのために) などの高度なチップで使用される.

3高級インターポーザー: ガラス&有機材料
シリコンインターポーザーは 性能が良いが 高価です 新しい材料がインターポーザーを より簡単に利用できるようにしています

a.ガラスインターポーザー:シリコンより安く,熱耐性も高く,大型パネルと互換性がある.コーニングのガラスインターポーザーが5Gベースステーションで使用され,モジュールあたり10万以上の接続が可能である..
b.オーガニック・インターポザー:柔軟で軽量で低コストで,データセンターよりも性能が低いスマートウォッチなどの消費者デバイスで使用されます.

4共同パッケージ化光学 (CPO):チップと光学を統合する
データセンターでは,CPOは光学部品 (レーザー,検出器など) をPoPスタックと統合する.

a.どのように動作する:上部パッケージには光ファイバー経由でデータを送信/受信する光学部品が含まれ,下部パッケージはCPU/GPUである.
b.メリット:別々の光学よりも50%少ない電力使用; 10倍以上の帯域幅 (チャンネル1回あたり100Gbps+). AI ワークロードを処理するためにクラウドデータセンター (AWS,Google Cloud) で使用されます.

5パネルレベルPOP (PLPoP):大規模の大量生産
パネルレベルのパッケージは,単一の大きなパネル (個別のウエファーと比較して) に数百個のPoPモジュールを構築します.

a.メリット:生産時間を40%短縮し,モジュールのコストを20%削減します.スマートフォンなどの大量のデバイスに最適です.
b.チャレンジ:パネルは,新しい材料 (例えば,強化有機基板) の加工中に曲げることができます.この問題を解決します.

よくある質問
1PoPと3DICのパッケージの違いは何ですか?
PoPは完成したパッケージ (例えば,CPUパッケージ+RAMパッケージ) をスタックし,3DICはTSVを使用して裸のチップ (パッケージ化されていないダイ) をスタックする.PoPはよりモジュール化 (チップを更換しやすく),3D ICは小さく速く (GPUのような高性能デバイスではよりよい).

2PoPスタックは高温 (例えば車内) に対応できますか?
はい,自動車級のPoPは,耐熱溶接 (例えば,チンの鉛合金) と材料 (ENIG仕上げ) を使用し,-40°Cから125°Cまで生存します.信頼性を確保するために1,000以上の熱サイクルでテストされています.

3PoPは小さなデバイスだけですか?
PoPはスマートフォン/ウェアラブルで一般的ですが,5Gベースステーションやデータセンターサーバーなどの大型システムでも使用されています.高電力を処理するためのインターポーザー付きの大きなPoPモジュール (20mm × 20mm+) を使用します.

4伝統的なパッケージングと比較して PoP技術にはどのくらいの費用がかかりますか?
PoPは20~30%高い初期費用 (設備,テスト) を有しますが,長期的には節約 (PCBが小さく,修理が少なく) がこれを抵消します.PoPは従来のパッケージよりも安くなる.

5AIチップで使用できますか?
Absolutely AIチップ (例えば,NVIDIA H100,AMD MI300) は,HBMメモリでGPUをスタックするために先進的なPoP変種 (インターポーザーを含む) を使用する.これは,高い帯域幅のAIワークロードを必要とします.

結論
パッケージ上のパッケージ (PoP) 技術は,現代の電子機器の構築方法を再定義しました.スマートフォンから5Gベースステーションまで,デバイスの"小さすぎる"から"ちょうどいい"に変えました.PoPは小型化とパフォーマンスという二つの課題を解決する設計がモジュール化され,修復可能である一方で,PCB空間を30%~50%削減し,遅延時間を60%削減し,消費電力を25%削減します.

技術が進歩するにつれ PoPはますます良くなり 3Dスタッキング,ハイブリッド結合,ガラスインターポーザーが限界を押し広げ さらに小さく,速く,より効率的なデバイスを可能にしています自動車 (ADAS) や医療 (ウェアラブルモニター) のような産業向け厳格なサイズと信頼性の要求を満たす必要性です.

設計者や製造者にとってメッセージは明らかです PoPは単なるパッケージングのトレンドではなく 電子機器の未来です 薄いスマートフォンや 頑丈な自動車システムを作ろうとしてもまたはデータセンターのGPU競争力を維持するために必要なスペース節約,パフォーマンス,柔軟性を提供します.PoPは,私たちが明日使用する電子機器を形作るイノベーションの最前線にとどまります.