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鍵合絲未來探究及與物聯網關系

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• 日期: 2017-05-01
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　前言

　　連接芯片和基板（Substrate）的一級封裝有鍵合絲（Wire bonding）和倒裝芯片（Flip Chip）兩種方法。后者憑借其出色的信號傳遞性能、大I/O數處理能力以及易于封裝微型化的實現，在各種高級封裝形式中得到廣泛應用，然而預計到2020年，鍵合絲技術仍然是占主流的連接方式（大于80%的市場占有率）。其中的原因包括鍵合絲技術的成熟度及性價比高、該技術本身內源性的進步、對各種應用場合的普適性、最后尤其是物聯網的興起極大地促進了鍵合絲的應用和發展。

　　物聯網市場容量大、應用場景廣、低成本、節能要求高、極度依賴無線通訊技術的特點與鍵合絲技術吻合度高。本文試圖闡明從物聯網的應用特點來闡述鍵合絲技術與它的內在關聯。本文還簡要述及了鍵合絲技術在高速信號傳輸體系中的一些新的用途、新問題和趨勢。

　　一、物聯網的形成邏輯和市場（Building Block）

　　人類在不斷開拓的新領域中周而復始地模擬著自然。如果將internet網絡比做人體的主動靜脈系統，移動蜂窩通訊網絡（Cellular Network）則可比做人體的支路血管系統，物聯網(IoT)則可以比做遍布全身的毛細血管系統。有趣的是在Internet Network、Cellular Network以及IoT網絡內部，我們仍然還可以對其做類似的層級分類：例如Cellular Network[1]中就存在 Macro, Micro,Pico 和Femto多級別的機站來涵蓋不同的區域，如圖1所示。不同的機站的能耗結構也不同，如圖2所示。

　　

　　圖1.移動蜂窩通訊網絡的各級別基站

　　

　　圖2. 各基站的能量分布

　　在經歷了個人計算機（PC）和智能手機（Smart Phone）兩次電子技術浪潮后，我們正處于第三次電子技術革命的初期：萬物互聯的物聯網時代（Internet of Thing）。PC的普及為internet網絡大規模應用奠定了基礎，智能手機的應用將移動蜂窩通訊網絡（Cellular Network）與internet網絡緊密相連，PC則通過WiFi無線連接技術連入internet, 將固定的網絡拓展到更曠闊的移動空間。預計到2020年，物聯網中互連的電子智能終端（IoT edge node）為500億個,這些終端將連接2000億個sensor[2], 連入到了這個由internet網絡為主干、無線網絡為擴展的網絡體系中, 它們不斷產生大量的數據和數據分析的需要。

　　物聯網中的internet固定網絡的主要發展方向為：更快處理速度的邏輯芯片（Logic）、更高數據存儲密度的存儲芯片(DRAM, 3D NAND)、以及處理芯片和存儲芯片之間高速的信號傳輸速率。這方面的需求在過去、現在以及預計到2021年都主要由Moore定律所描述的、依靠芯片中晶體管尺寸的不斷縮小、功能不斷提升的方法來實現(transistor scaling)；另一方面則依賴高級封裝技術（advanced packaging）的提升來進一步將系統小型化(SiP, system scaling)以及通訊技術的進步（例如高頻Serdes以及5G通訊技術）。高級封裝技術包括基于硅基板（Si Substrate）的2.5D、基于硅通孔技術TSV（Trough Silicon Vial）的3D 芯片堆疊技術（Stacked Dies）以及倒裝芯片技術（Flip Chip）?？梢灶A見系統的計算速率會進一步提升，但相應核心設備的功耗也會隨之增加，雖然這些設備（例如網絡服務器）都是插電的，不存在能源問題，然而像Google、 Amazon、 Facebook、阿里巴巴、騰訊等網絡服務提供商的運營成本中最大的項目就是其數目眾多的網絡服務器的電費，降低能耗是他們降低成本的主要手段。

　　

　　圖3. 基于手機蜂窩網絡的物聯網場景

　　如圖3所示，物聯網末梢網絡（Edge node）的每一個智能終端（smart object）都可以看做為一個小數據（Little Data）的發生器，通過網絡匯聚成大數據(Big Data)[3]。隨著集成電路技術的進步，功能提升、能耗下降、尺寸降低的控制芯片（Logic）很容易和各種感應器（Sensor）、作動器（Actuator）形成的功能強大的嵌入式系統（embedded system），這些嵌入式系統或者這些分散的單個的Sensor 和 Actuator可以通過內置的RFID tags (無線射頻識別標簽)、NFC tags（近場通信標簽），通過無線連接技術接入到Internet中，形成物聯網的主體部分。

　　當然圖3只是對物聯網現狀的一種簡單描述。連入互聯網的電子設備不一定只是通過移動蜂窩通訊網絡（圖中的mobile network在此特指Cellular network）, 而是可以通過其它無線技術連入到internet。通過移動蜂窩通訊網絡是目前物聯網無線通信技術中的最重要的技術之一，而且通過借由third generation partnership project (3GPP)的LTE(Long Term Evaluation)和LTE-A(Long Term Evaluation-Advanced)協議的智能手機做為控制中心，確實是目前物聯網中無線技術在智能家居、智能保健醫療中的一些重要應用場景，卻不一定是唯一的主要演進方向，目前移動蜂窩通訊網絡的物與物聯接只占到聯接總數的10%，大部分的物與物聯接通過藍牙、WiFi等技術來承載。不過由中國華為牽頭的NB-IoT可能很快會徹底顛覆這種局面。

　　

　　圖4. 基于無線Zigbee的智能家居網絡

　　一個更具體的智能家居應用場景的描述如圖4所示，在此網絡的末梢(Edge node)采用通過運行Zigbee無線通訊協議的網關（Gateway）來接入internet。圖5是IoT無線網絡的需求特點以及三個現有無線網絡的特點，如何利用現有網絡來滿足IoT網絡的多樣化需要也是挑戰（在此要區分無線網絡和無線網絡協議的區別）。圖6是ASE所描述的物聯網主要應用領域和相關市場容量。值得注意的是IDC預測物聯網的年復合增長率高達31.72%（2015-2019），遠高于半導體5.5%的增長率[4]。對于物聯網2020年的市場容量，IDC的預測將是驚人的71萬億美元，遠高于2015年整個電子行業的17萬億美元。

　　

　　圖5. 現有無線網絡與IoT網絡的特性比較

　　

　　圖6. ASE的物聯網應場景分類和容量

　　

　　圖7. 物聯網的通用架構

　　二、物聯網的特點與鍵合絲技術的內在吻合度

　　從以上的描述可知，廣義上講物聯網應該包含internet網絡在內的所有固定網絡和移動網絡形成的總體，狹義上講物聯網更強調的是分散的、通過各種無線通訊技術連入到互聯網（internet）主體的各個分網絡，尤其強調物（small object）與物之間的主要借助無線技術的直接溝通而無需人類的介入(Machine to Machine)。本文的物聯網主要取狹義的概念，尤其針對其物聯網末梢網絡和其中的智能終端(smart object)。

它們突出了網聯網的基本特征：

1.Heterogeneous(異質化,各種不同特質的信號感應器、作動器)

　　2. Small object mobility(IoT智能終端的可移動)

　　3. Duty-Cycling(間歇性工作特性)從應用的角度看它們體現出了低成本、低功耗、連接多樣性（廠家, 技術和標準）的特點。

　　本文在此主要討論這些特征與采用鍵合絲互聯技術的必然性。在低成本方面主要體現為物聯網芯片絕大多收采用傳統成熟的技術節點。圖7是IoT系統的通用架構。在最低層的物理感知層（Perception Layer）, 處于物聯網末梢的嵌入式系統或傳感器及其它智能終端（smart object）需要將自身所帶的RFID（無線射頻識別標簽）和/或收集到有用信息，例如主體的位置、速度、環境中的壓強、溫度、粉塵濃度等信息通過網絡層（Network Layer）發送出去。完成這些動作所需要的硬件包括：各種MEMS Senor 及其控制芯片、無線訊號傳輸芯片（RF-IC）。一個典型的IoT器件的結構簡圖8如下：

　　

　　圖8. 一個典型IoT 器件的結構

　　

　　圖9. 一個基于Zigbee的網關結構

　　圖8中的Sensing部分，是各種MEMS Sensor，這方面一致以來都是由bonding wire來連接，目前主要是用金線和少量的銀合金線。如圖10所示的一個典型的MEMS Sensor封裝形式。

　　

　　圖10. MEMS Sensor 封裝

　　圖8中的DSP和圖9中的Microcontroller是物聯網器件中常用的控制芯片。實際上絕大多數物聯網上的的智能終端（small object）都采用單片機(Microcontroller)做為控制中心，其芯片的制程也通常采用成熟的節點技術（Process node）,例如180nm, 近期為65 nm、55nm。圖11是用于物聯網的芯片分類。而這類芯片都會采用傳統的低成本bonding wire鍵合方式。一般采用Flip Chip的芯片大多是28nm制程以下的。

　　在低能耗方面，由于物聯網物末梢的智能終端絕大多數依靠電池來供電，需要從幾個方面來保證它們10-15年之間的使用壽命（不換電池）：

　　1.IoT芯片采用基于RISC(Reduced Instruction Set Computing)指令集的ARM（AdvancedRISC Machine）, ARM（這里的ARM實際上還指一種芯片微結構，Micro-architecture）是RISC微處理器的代表作之一，廣泛用于嵌入式系統（Embedded System）設計中, ARM處理器的最大特點就是節能。目前32位ARM處理器是IoT芯片的主流；

　　2. IoT芯片主要采用間歇性工作方式（Duty-Cycling），它大部分時間是處于休眠狀態，只是在某些時段被喚醒而工作一段時間，隨即回復到休眠態。一個典型的例子是在安防：只有當攝像頭的sensor感覺到了視野中有物體的移動時，系統被喚醒開始攝像存儲功能，視野中無物體移動一段時間后，系統又進入到休眠狀態；

　　3. 采用低速、低功耗的無線傳輸協議。在無線傳輸技術上載波的頻率越高則相應的功耗越大、覆蓋的有效范圍越小。所以在物聯網末梢大多采用Blue Tooth 或者 Zigbee這種網絡協議來實現低功耗，低速的無線通訊。物聯網末梢的網關，如果也采用無線通訊的技術，也許由于由眾多SO傳到網關的數據量較大且需要實時處理的緣故，可能會采用相對高頻的載波和無線通訊協議，例如Wi-Fi, LTE和LTE-A，而這些網關也大多是插電而不是依靠電池來工作。不過筆者研究發現目前即使針對這些物聯網的相對高頻的無線通訊應用，鍵合絲也同樣勝任。后續有進一步說明。

　　

　　圖11. IoT 芯片的processnode分布

　　在連接多樣性上。除了少量的有線連接，例如Ethernet和USB。物聯網大多采用無線通訊技術，相應的無線通訊協議有很多，包括Wi-Fi、LTE/LET-A、Blue Tooth、Zigbee。其中Wi-Fi是目前應用最廣的通訊協議，現在通過Wi-Fi網絡的通訊流量要高于通過Ethernet(以太，有線連接)和移動蜂窩通訊網絡（Cellular）的總和?，F階段Wi-Fi的載波頻率最高為5.15-5.825GHz, 信道帶寬(Bandwidth)為675MHz，最高信號傳播速率達到了6.76Gbps。

　　圖12是Wi-Fi的技術演進路線圖，圖13是Wi-Fi技術的功耗效率隨信號傳輸速率（Data Rate, Gb/s）增加而變化的關系圖。顯然Data Rate增加時，現有Wi-Fi技術的功耗效率也增加，但無法保證同比例增加，說明隨著Data Rate的增加，功耗比會增加得更快。對于IoT系統末梢節點終端來說（Edge node），這樣高的功耗和無線數據傳輸速率是不合適的?；谝苿臃涓C通訊網絡的LTE目前的載波頻率700 MHz to 3.5 GHz。相應的下載速率為150Mbps and 300Mbps。值得說明的是中國華為公司所主導的NB-IoT是基于移動蜂窩通訊網絡，其載波頻率在800-900MHz之間，年內會進入商業運作，這會對整個局勢有很大影響。Zigbee的載波頻率為868MHz-2.4GHz，傳輸速率在20-250kbps， Bluetooth的載波頻率為2.4—2.485GHz，傳輸速率在721kbps-50Mbps。相對于Zigbee, Bluetooth的能耗更高。通常這些無線通訊模塊是集成到上述的單片機器中的，很少單獨成片，而采用多芯片封裝的形式。集成的芯片也采用鍵合絲的連接方式。說明鍵合絲在能夠處理這些高頻的載波的傳輸。

　　三、鍵合絲技術的普適性

　　在封裝領域，對于大I/O數、能量以及高速率信號傳輸的體系，Flip Chip通常比鍵合絲技術能提供更大的設計自由度。這是因為bonding wire 和 Flip Chip中的bump在整個信號傳遞通道中都屬于阻抗不連續區（impedance mismatch）,當高頻信號在傳輸線（transmission Line）的傳遞過程中，遇到阻抗不連續區時，會發生信號的發射而阻礙信號的有效傳遞。flip chip的bump通常為60-100微米高，80-125微米直徑的近似圓柱體，相比常見長度范圍1 - 5mm，線材直徑在15-35微米的鍵合絲來講，前者對整個信道的傳輸性能影響要小很多。如果能消除阻抗不連續區的影響，鍵合絲的確是可以用于高速信號傳輸體系的。

　　

　　圖12. Wi-Fi的技術演進圖

　　

　　圖13. Wi-Fi的功耗效率隨DataRate變化圖

　　

　　圖14是電子系統中傳輸線的示意圖。

　　其中a分圖中的Zo是正常阻抗的傳輸線（transmission line）,最通用的規范是50Ω,Z1的阻抗不同于Zo，為阻抗不連續區，b分圖中詳細列出了信號傳輸線的各組成部分。

傳輸線每段的阻抗的數學表達式為：

因此要獲得純R的阻抗，需要

　　

而

　　

　　顯然對于特定的工作頻率區間，可以通過調整阻抗不連續區附近的電感L和電容C，來獲得改善的整合后區域（包括原阻抗不連續區和及其修改后的那些附件區域,當然更直接的方法是針對阻抗不連續區進行重新設計。

　　使其近阻抗與純電阻抗為50Ω的傳輸線。在傳輸線的不同部分所體現出的阻抗特性是不同的，鍵合絲通常表現為感抗L，而Chip Pad, Bond Pad通常表現為容性阻抗C。

　　基于各種局部[5]，區域[6]的調整，鍵合絲部分的阻抗可以得到改善可以用于各種不同傳輸速率在1Gbps-28Gbps和更高的情形。其中最有效的方法是降低鍵合絲的長度并且采用低弧高的線弧來增加鍵合絲與底部Cu ground回路之間的電容。從而將整個bonding wire的阻抗向50Ω純電阻抗靠近，降低信號反射的強度，提升整體信道的帶寬。

　　四、鍵合絲技術在高頻信號體系和5G中的應用

　　上述這些阻抗修正法的一個缺陷是會影響整體線路的帶寬（雖然比不修正時要好很多），所以有研究者提出了一種微同軸電纜的方法(micro-coax)[7]，其本質是將bonding wire變成了同軸線。該方法是在常規鍵合絲打線后，在線的表面涂覆一層厚度固定的介電質并在其表面再鍍一層金屬，最后在導地（Ground）的IC Pad位置，于介電質的外層金屬上通過打通孔，將底層外層金屬層與導地的IC Pad相連，詳見圖15。

　　在此,介電層的厚度要嚴格控制，因為它關系到最終的微同軸電纜的阻抗。

　　由

　　

　　決定：其中εr是介電質的介電常數，a是鍵合絲的直徑，b是鍵合絲涂覆上介電質層的厚度。一個具體的實例如表1：

　　

圖15. 微同軸電纜的制造過程

　　

　　表1. 微同軸電纜的參數

　　由于完全消除了阻抗不連續的因素，微同軸電纜能夠支撐100+GHz的信號傳輸。

　　其它能夠增加鍵合絲高頻傳輸性能的因素還有

　　1.鍵合絲外層的介電質的介電常數；

　　2.表面電阻（由趨膚效應SkinEffect引起）；

　　3.表面粗糙度。

　　在整個鍵合絲技術的發展趨勢中，金線的取代是最顯著的趨勢，其中今后應用最廣的線材是鍍Pd銅線，目前表面的Pd的厚度在40-100nm之間，如何有效降低Pd層厚度，在高頻應用中有重要的意義，由于趨膚效應的存在，低Pd厚度在高頻傳輸上有優勢

　　

　　表2. Bonding wire 天線與常規天線技術的比較

　　在高頻領域，鍵合絲在5G方面也顯現出顯著的優勢，由于5G通訊的一個重要應用是毫米波技術（30-300GHz之間的電磁波），它將解決在都市某個局部區域（例如國際會議中心）（因為毫米波的可視直線覆蓋范圍只有200-300米）在召開一些重大事件時的無線通訊帶寬的問題（可以支持10+Gbps的無線通訊速率）。其中bonding wire在天線方面表現做比常規天線更優越的性能。尤其在效率（Efficiency）和增益上（Gain）這兩個最重要的特征參數上[10]。而這種優勢部分來源于鍵合絲技術的成熟度，它在平面上(xy面)的打線誤差在微米級以下，而在高度（z軸）的誤差范圍內對天線的應用不敏感。

　　

　　圖16. Bonding wire 天線

　　總結

　　目前鍵合絲的研究主要還是在通過doping、 alloying，表面和內核結構調整、表面有機涂層和金屬電鍍等方面來提高打線的順暢度bondability和鍵合焊點的可靠性上reliability。在低頻的應用領域，這些都應該是繼續努力的方向。在高端通訊領域，應該把線材的弧線控制、表面阻抗、表面粗糙度，低介電質材料方面進一步密切和封裝設計公司的合作，提供更具有價格優勢和高性能的產品。