Что такое технология Package on Package и как она работает

В гонке за созданием более компактной, быстрой и мощной электроники — от ультратонких смартфонов до компактных медицинских носимых устройств — традиционное размещение чипов бок о бок зашло в тупик. Представляем технологию Package on Package (PoP): революционное решение, которое вертикально укладывает пакеты чипов (например, процессор внизу, память сверху), сокращая пространство на печатной плате (PCB) до 50% и повышая производительность. PoP — это не просто экономия места; она сокращает пути прохождения сигнала, снижает энергопотребление и упрощает модернизацию — критически важно для устройств, где важен каждый миллиметр и милливатт. В этом руководстве рассказывается о том, что такое PoP, как она работает, ее основные преимущества, реальные применения и последние достижения, формирующие ее будущее.

Основные выводы
1. Эффективность использования пространства: PoP укладывает чипы вертикально (в отличие от размещения бок о бок), сокращая площадь печатной платы на 30–50% — что позволяет создавать более тонкие устройства, такие как умные часы и складные телефоны.
2. Более высокая производительность: Сокращенные пути прохождения сигнала между уложенными чипами (например, CPU + RAM) уменьшают задержку на 20–40% и снижают энергопотребление на 15–25%.
3. Модульность: Каждый чип тестируется и заменяется индивидуально — для исправления неисправного чипа RAM не требуется замена всего пакета процессора.
4. Универсальность: Работает с чипами от разных поставщиков (например, Qualcomm CPU + Samsung RAM) и поддерживает обновления (например, замена 4 ГБ RAM на 8 ГБ).
5. Широкое применение: Доминирует в потребительской электронике (смартфоны, планшеты), автомобилестроении (системы ADAS), здравоохранении (носимые мониторы) и телекоммуникациях 5G (базовые станции).

Что такое технология Package on Package (PoP)?
PoP — это передовая технология упаковки, которая вертикально укладывает два или более полупроводниковых пакета, создавая единый компактный модуль. В отличие от традиционного размещения «бок о бок» (где CPU и RAM занимают отдельное пространство на печатной плате), PoP накладывает критические компоненты — обычно логический чип (CPU, SoC) внизу и чип памяти (DRAM, flash) сверху — соединенные крошечными шариками припоя или микровыступами. Эта конструкция преобразует способ создания электроники, отдавая приоритет миниатюризации без ущерба для производительности.

Основное определение и назначение
В своей основе PoP решает две самые большие проблемы современной электроники:

1. Ограничения пространства: Поскольку устройства становятся тоньше (например, смартфоны толщиной 7 мм), для размещения чипов бок о бок нет места. PoP укладывает компоненты, чтобы использовать вертикальное пространство вместо горизонтального.
2. Узкие места производительности: Длинные пути прохождения сигнала между удаленными чипами (например, CPU на одном конце печатной платы, RAM на другом) вызывают задержки и потерю сигнала. PoP размещает чипы на расстоянии нескольких миллиметров друг от друга, форсируя передачу данных.

PoP также является модульной: Каждый чип тестируется перед укладкой. Если чип памяти выходит из строя, вы заменяете только эту деталь, а не весь модуль. Эта гибкость является огромным преимуществом по сравнению с интегрированными пакетами (где чипы постоянно связаны), сокращая затраты на ремонт на 60%.

Основные компоненты стека PoP
Базовая настройка PoP имеет четыре критических компонента; передовые конструкции добавляют дополнительные элементы, такие как интерпозеры, для повышения производительности:

Пример: Модуль PoP смартфона может иметь 5-нм Snapdragon 8 Gen 4 (нижний пакет), уложенный с 8 ГБ LPDDR5X RAM (верхний пакет), соединенный шариками припоя с шагом 0,4 мм. Этот модуль занимает всего 15 мм × 15 мм пространства на печатной плате — вдвое меньше, чем при размещении бок о бок.

Как работает технология PoP: пошаговый процесс
Сборка PoP — это процесс, управляемый точностью, который требует специализированного оборудования (например, лазерных струйных аппаратов для нанесения шариков припоя, рентгеновских инспекторов) для обеспечения выравнивания и надежности. Ниже представлен стандартный рабочий процесс:

1. Подготовка к сборке
Перед укладкой каждый компонент должен быть очищен, протестирован и подготовлен, чтобы избежать дефектов:

a. Очистка печатной платы: Базовая печатная плата очищается ультразвуковыми волнами или сжатым воздухом для удаления пыли, масла или остатков — загрязняющих веществ, которые разрушают паяные соединения.
b. Нанесение паяльной пасты: Трафарет (тонкий металлический лист с крошечными отверстиями) используется для нанесения точного количества паяльной пасты на контактные площадки печатной платы (где будет располагаться нижний пакет).
c. Тестирование чипов: Оба чипа — нижний (логический) и верхний (память) — тестируются индивидуально (с использованием автоматизированного испытательного оборудования, ATE), чтобы убедиться, что они функциональны — неисправные чипы отбрасываются, чтобы избежать траты времени на укладку.

2. Размещение нижнего пакета
Логический чип (например, SoC) сначала размещается на печатной плате, поскольку он является «основой» стека:

a. Точное размещение: Машина для установки компонентов (с точностью 1–5 мкм) позиционирует нижний пакет на контактные площадки печатной платы, покрытые паяльной пастой.
b. Временная фиксация: Пакет удерживается на месте с помощью низкотемпературного клея или вакуумного давления, чтобы предотвратить смещение во время оплавления.

3. Размещение верхнего пакета
Чип памяти укладывается непосредственно поверх нижнего пакета, выравниваясь с его контактными площадками припоя:

a. Прикрепление шариков припоя: Верхний пакет (память) имеет предварительно нанесенные шарики припоя (0,06–0,9 мм) на своей нижней поверхности. Эти шарики соответствуют расположению контактных площадок на нижнем пакете.
b. Проверка выравнивания: Система машинного зрения (камера + программное обеспечение) гарантирует, что верхний пакет идеально выровнен с нижним — даже смещение на 0,1 мм может привести к разрыву соединений.

4. Оплавление припоя
Весь стек нагревается для расплавления припоя, создавая постоянные соединения:

a. Обработка в печи: Печатная плата + уложенные пакеты проходят через печь оплавления с контролируемым температурным профилем (например, пик 250°C для бессвинцового припоя). Это расплавляет паяльную пасту (на печатной плате) и шарики припоя верхнего пакета, образуя прочные электрические и механические соединения.
b. Охлаждение: Стек медленно остывает, чтобы избежать термического напряжения (которое вызывает трещины в припое) — критически важно для долгосрочной надежности.

5. Инспекция и тестирование
Ни один модуль PoP не покидает завод без тщательных проверок:

a. Рентгеновский контроль: Рентгеновские аппараты ищут скрытые дефекты (например, пустоты в припое, отсутствующие шарики), которые не видны невооруженным глазом.
b. Электрическое тестирование: Тестер «летающий зонд» проверяет, правильно ли проходят сигналы между верхним/нижним пакетами и печатной платой.
c. Механическое тестирование: Модуль подвергается термоциклированию (например, от -40°C до 125°C) и вибрационным испытаниям, чтобы убедиться, что он выдерживает реальные условия эксплуатации.

Совет: Передовые конструкции PoP используют сквозные кремниевые переходы (TSV) — крошечные отверстия, просверленные в чипах — для соединения слоев вместо просто шариков припоя. TSV уменьшают задержку сигнала на 30% и обеспечивают 3D-укладку (более двух слоев).

Критические детали: Взаимосоединение и материалы
«Клей», который заставляет PoP работать, — это его система взаимосоединения — шарики припоя или микровыступы — и материалы, используемые для сборки стека. Этот выбор напрямую влияет на производительность, надежность и стоимость.

Шарики припоя: Основа соединений PoP
Шарики припоя — это основной способ соединения верхнего и нижнего пакетов. Их размер, сплав и размещение определяют, насколько хорошо работает стек:

Интерпозеры: Передовые соединения для высокопроизводительного PoP
Для устройств высокого класса (например, базовых станций 5G, игровых графических процессоров) PoP использует интерпозеры — тонкие слои между верхним и нижним пакетами — для решения проблем с сигналом и нагревом:

1. Что такое интерпозер? Тонкий лист (кремний, стекло или органический материал) с крошечными проводами или TSV, которые действуют как «мост» между чипами. Он распределяет питание, уменьшает перекрестные помехи и рассеивает тепло.
2. Кремниевые интерпозеры: Золотой стандарт для высокой производительности. Они имеют сверхтонкую проводку (ширина 1–5 мкм) и TSV, обеспечивая более 100 000 соединений на модуль. Используются в таких чипах, как графические процессоры NVIDIA.
3. Стеклянные интерпозеры: Новая альтернатива — дешевле кремния, лучшая термостойкость и совместимость с большими панелями. Идеально подходят для чипов 5G и центров обработки данных.
4. Органические интерпозеры: Низкая стоимость, гибкость и легкий вес. Используются в потребительских устройствах (например, смартфонах среднего класса), где стоимость важнее экстремальной производительности.

Пример: CoWoS (Chip on Wafer on Substrate) от TSMC — это усовершенствованный вариант PoP, который использует кремниевый интерпозер для укладки графического процессора с HBM (High-Bandwidth Memory). Эта конструкция обеспечивает в 5 раз большую пропускную способность, чем традиционное размещение бок о бок.

Преимущества технологии PoP
PoP — это не просто трюк для экономии места, она дает ощутимые преимущества разработчикам устройств, производителям и конечным пользователям.

1. Эффективность использования пространства: Преимущество №1
Главное преимущество PoP — это его способность уменьшать площадь печатной платы. Вертикальная укладка чипов:

a. Уменьшенный размер: Модуль PoP (CPU + RAM) занимает на 30–50% меньше места, чем размещение бок о бок. Например, модуль PoP размером 15 мм × 15 мм заменяет два чипа размером 12 мм × 12 мм (которые занимают 288 мм² против 225 мм²).
b. Более тонкие устройства: Вертикальная укладка исключает необходимость широких трасс печатной платы между чипами, что позволяет создавать более тонкие конструкции (например, смартфоны толщиной 7 мм против моделей толщиной 10 мм с традиционной упаковкой).
c. Больше функций: Сэкономленное пространство можно использовать для более крупных батарей, лучших камер или дополнительных датчиков — ключевой фактор для конкурентоспособной потребительской электроники.

2. Повышение производительности: Быстрее, эффективнее
Более короткие пути прохождения сигнала между уложенными чипами преобразуют производительность:

a. Более быстрая передача данных: Сигналы проходят всего 1–2 мм (против 10–20 мм в конструкциях бок о бок), уменьшая задержку (латентность) на 20–40%. Это ускоряет загрузку приложений и обеспечивает более плавную работу игр.
b. Меньшее энергопотребление: Более короткие пути означают меньшее электрическое сопротивление, сокращая энергопотребление на 15–25%. Смартфон с PoP может работать на 1–2 часа дольше от одной зарядки.
c. Лучшее качество сигнала: Меньшее расстояние уменьшает перекрестные помехи (интерференцию сигнала) и потери, повышая надежность данных — критически важно для 5G и высокоскоростной памяти (LPDDR5X).

В таблице ниже количественно оцениваются эти улучшения производительности:

3. Модульность и гибкость
Модульная конструкция PoP позволяет легко адаптироваться к различным потребностям:

a. Комбинируйте и сочетайте чипы: Вы можете объединить CPU от одного поставщика (например, MediaTek) с RAM от другого (например, Micron) — нет необходимости перепроектировать весь пакет.
b. Простое обновление: Если вы хотите предложить версию смартфона «12 ГБ RAM», вы просто меняете верхний пакет (4 ГБ → 12 ГБ) вместо изменения печатной платы.
c. Более простой ремонт: Если чип памяти выходит из строя, вы заменяете только эту деталь, а не весь модуль CPU. Это сокращает затраты на ремонт на 60% для производителей.

4. Экономия средств (в долгосрочной перспективе)
Хотя PoP имеет более высокие первоначальные затраты (специализированное оборудование, тестирование), со временем она экономит деньги:

a. Снижение затрат на печатные платы: Меньшие печатные платы используют меньше материала и требуют меньше трасс, снижая производственные затраты на 10–15%.
b. Меньше этапов сборки: Укладка двух чипов в один модуль исключает необходимость их отдельного размещения и пайки, сокращая время работы.
c. Масштабированное производство: По мере роста внедрения PoP (например, 80% флагманских смартфонов используют PoP) эффект масштаба снижает затраты на компоненты и оборудование.

Применение PoP: где она используется сегодня
Технология PoP повсюду — в устройствах, которые мы используем ежедневно, и в отраслях, стимулирующих инновации.

1. Потребительская электроника: Крупнейший потребитель
Потребительские устройства полагаются на PoP для баланса между миниатюризацией и производительностью:

a. Смартфоны: Флагманские модели (iPhone 15 Pro, Samsung Galaxy S24) используют PoP для своих модулей SoC + RAM, обеспечивая тонкий дизайн с 8–16 ГБ RAM.
b. Носимые устройства: Умные часы (Apple Watch Ultra, Garmin Fenix) используют крошечные модули PoP (5 мм × 5 мм), чтобы уместить CPU, RAM и флэш-память в корпусе толщиной 10 мм.
c. Планшеты и ноутбуки: Устройства 2-в-1 (Microsoft Surface Pro) используют PoP для экономии места для более крупных батарей, увеличивая время автономной работы на 2–3 часа.
d. Игровые консоли: Портативные устройства (Nintendo Switch OLED) используют PoP для укладки пользовательского CPU NVIDIA Tegra с RAM, обеспечивая плавный игровой процесс в компактном форм-факторе.

2. Автомобилестроение: Питание подключенных автомобилей
Современные автомобили используют PoP в критических системах, где важны пространство и надежность:

a. ADAS (Advanced Driver Assistance Systems): Модули PoP питают радарные, камерные и лидарные системы — укладка процессора с памятью уменьшает задержку, помогая автомобилям быстрее реагировать на опасности.
b. Информационно-развлекательные системы: Автомобильные сенсорные экраны используют PoP для работы навигации, музыки и функций подключения, не занимая слишком много места на приборной панели.
c. Компоненты EV: Системы управления батареями электромобилей (BMS) используют PoP для укладки микроконтроллера с памятью, отслеживая состояние батареи в режиме реального времени.

3. Здравоохранение: Крошечные, надежные медицинские устройства
Медицинские носимые устройства и портативные инструменты зависят от миниатюризации PoP:

a. Носимые мониторы: Устройства, такие как Apple Watch Series 9 (с ЭКГ), используют PoP, чтобы уместить датчик сердечного ритма, CPU и память в ремешке толщиной 10 мм.
b. Портативная диагностика: Портативные глюкометры используют PoP для быстрой обработки данных и хранения результатов — критически важно для пациентов с диабетом.
c. Имплантируемые устройства: Хотя в большинстве имплантатов используется меньшая упаковка, некоторые внешние устройства (например, инсулиновые помпы) используют PoP для баланса между размером и функциональностью.

4. Телекоммуникации: 5G и далее
Сети 5G нуждаются в быстрых, компактных чипах — PoP обеспечивает:

a. Базовые станции: Базовые станции 5G используют PoP для укладки сигнальных процессоров с памятью, обрабатывая тысячи подключений в небольшом наружном блоке.
b. Маршрутизаторы и модемы: Домашние маршрутизаторы 5G используют PoP для экономии места, размещая модем, CPU и RAM в устройстве размером с книгу.

В таблице ниже обобщены отраслевые применения PoP:

Последние достижения в технологии PoP
PoP быстро развивается, подпитываемый спросом на еще более компактные и быстрые устройства. Ниже приведены наиболее значимые недавние разработки:
1. 3D PoP: Укладка более двух слоев
Традиционная PoP укладывает два слоя (CPU + RAM), но 3D PoP добавляет больше — обеспечивая еще более высокую интеграцию:

a. Укладка с использованием TSV: Сквозные кремниевые переходы (TSV) просверливают чипы для соединения трех или более слоев (например, CPU + RAM + флэш-память). Модули 3D PoP от Samsung для смартфонов укладывают 3 слоя, обеспечивая 12 ГБ RAM + 256 ГБ флэш-памяти в корпусе размером 15 мм × 15 мм.
b. PoP на уровне пластин (WLPoP): Вместо укладки отдельных чипов соединяются целые пластины. Это снижает стоимость и улучшает выравнивание — используется в устройствах большого объема, таких как смартфоны среднего класса.

2. Гибридное соединение: Медно-медные соединения
Шарики припоя заменяются гибридным соединением (медно-медные соединения) для сверхвысокой производительности:

a. Как это работает: Крошечные медные площадки на верхнем и нижнем пакетах прижимаются друг к другу, создавая прямое соединение с низким сопротивлением. Припой не требуется.
b. Преимущества: В 5 раз больше соединений на мм² по сравнению с шариками припоя; меньшая задержка (1 нс против 2 нс); лучшая теплопередача. Используется в передовых чипах, таких как графический процессор AMD MI300X (для центров обработки данных AI).

3. Передовые интерпозеры: Стекло и органические материалы
Кремниевые интерпозеры отлично подходят для производительности, но дороги. Новые материалы делают интерпозеры более доступными:

a. Стеклянные интерпозеры: Дешевле кремния, лучшая термостойкость и совместимость с большими панелями. Стеклянные интерпозеры Corning используются в базовых станциях 5G, обеспечивая более 100 000 соединений на модуль.
b. Органические интерпозеры: Гибкие, легкие и недорогие. Используются в потребительских устройствах, таких как умные часы, где производительность менее важна, чем в центрах обработки данных.

4. Оптические компоненты в одном корпусе (CPO): Объединение чипов и оптики
Для центров обработки данных CPO объединяет оптические компоненты (например, лазеры, детекторы) со стеками PoP:

a. Как это работает: Верхний пакет включает оптические детали, которые отправляют/принимают данные через оптоволокно, а нижний пакет — это CPU/GPU.
b. Преимущества: На 50% меньшее энергопотребление, чем у отдельных оптических компонентов; в 10 раз большая пропускная способность (100 Гбит/с+ на канал). Используется в облачных центрах обработки данных (AWS, Google Cloud) для обработки рабочих нагрузок AI.

5. PoP на уровне панелей (PLPoP): Массовое производство в масштабе
Упаковка на уровне панелей создает сотни модулей PoP на одной большой панели (в отличие от отдельных пластин):

a. Преимущества: Сокращает время производства на 40%; снижает стоимость модуля на 20%. Идеально подходит для устройств большого объема, таких как смартфоны.
b. Проблема: Панели могут изгибаться во время обработки — новые материалы (например, армированные органические подложки) решают эту проблему.

FAQ
1. В чем разница между PoP и 3D IC упаковкой?
PoP укладывает завершенные пакеты (например, пакет CPU + пакет RAM), в то время как 3D IC укладывает голые чипы (неупакованные кристаллы) с использованием TSV. PoP более модульная (легче заменять чипы), в то время как 3D IC меньше и быстрее (лучше для высокопроизводительных устройств, таких как графические процессоры).

2. Могут ли стеки PoP выдерживать высокие температуры (например, в автомобилях)?
Да — автомобильный PoP использует термостойкий припой (например, сплав олово-свинец) и материалы (отделка ENIG), которые выдерживают от -40°C до 125°C. Он протестирован на 1000+ термических циклов для обеспечения надежности.

3. PoP предназначена только для небольших устройств?
Нет — хотя PoP широко используется в смартфонах/носимых устройствах, она также используется в больших системах, таких как базовые станции 5G и серверы центров обработки данных. В них используются более крупные модули PoP (20 мм × 20 мм+) с интерпозерами для обработки высокой мощности.

4. Сколько стоит технология PoP по сравнению с традиционной упаковкой?
PoP имеет на 20–30% более высокие первоначальные затраты (оборудование, тестирование), но долгосрочная экономия (меньшие печатные платы, меньший ремонт) компенсирует это. Для крупносерийного производства (1 млн+ единиц) PoP становится дешевле, чем традиционная упаковка.

5. Можно ли использовать PoP с чипами AI?
Безусловно — чипы AI (например, NVIDIA H100, AMD MI300) используют передовые варианты PoP (с интерпозерами) для укладки графических процессоров с памятью HBM. Это обеспечивает высокую пропускную способность, необходимую для рабочих нагрузок AI.

Заключение
Технология Package on Package (PoP) переопределила то, как мы создаем современную электронику, превратив «слишком мало» в «в самый раз» для устройств от смартфонов до базовых станций 5G. Вертикальная укладка чипов позволяет PoP решать двойные задачи миниатюризации и производительности: она сокращает пространство печатной платы на 30–50%, уменьшает задержку на 60% и снижает энергопотребление на 25% — и все это при сохранении модульности и ремонтопригодности конструкций.

По мере развития технологий PoP становится только лучше. 3D-укладка, гибридное соединение и стеклянные интерпозеры расширяют ее возможности, обеспечивая еще более компактные, быстрые и эффективные устройства. Для таких отраслей, как автомобилестроение (ADAS) и здравоохранение (носимые мониторы), PoP — это не просто роскошь, а необходимость для соответствия строгим требованиям к размеру и надежности.

Для разработчиков и производителей сообщение ясно: PoP — это не просто тенденция в упаковке, а будущее электроники. Независимо от того, создаете ли вы тонкий смартфон, надежную автомобильную систему или графический процессор для центра обработки данных, PoP обеспечивает экономию пространства, производительность и гибкость, необходимые для поддержания конкурентоспособности. По мере роста спроса на более компактные и интеллектуальные устройства PoP останется на переднем крае инноваций, формируя электронику, которую мы будем использовать завтра.