深度解析三星移动SoC先进封装技术

突破轻薄设备的性能边界

解析三星移动SoC先进封装技术

推出全新封装架构，提升移动应用处理器的热管理效率

在当今竞争高度激烈的半导体市场中，移动应用处理器(AP)被要求在愈发受限的装配空间内持续实现性能提升。随着智能手机形态不断向轻薄化演进、高性能计算需求的增长以及端侧AI应用的普及，使得更高的功耗被压缩在更小的体积之中，进而导致功率密度上升、发热问题加剧。同时，消费者对更长续航以及更轻薄机身的期待不断提高。由此，移动AP的开发已不再局限于性能的渐进式提升，而是需通过结构层面的演进，实现对有限内部空间的更高效利用。

在上述背景下，移动AP封装正逐步突破传统“芯片保护”的单一角色，演进为一项在系统层面高效散热与热管理、并提升空间利用率的关键技术。通过封装架构设计与散热路径优化，移动AP封装在保障性能与可靠性的同时，支持更轻薄的产品设计，并为更大容量电池释放宝贵空间，其在移动AP中的重要性正持续提升。

当通过提高功耗来换取性能提升时，AP的工作温度也会随之上升；而为抑制温升又必须降低功耗，这将直接限制芯片性能的充分发挥。因此，热阻管理已成为移动AP设计中确保性能稳定性的关键因素。在传统移动封装中，业界通常通过采用高导热材料或增加硅片厚度来改善散热性能。然而，在整体持续小型化的发展趋势下，仅依赖材料性能提升或芯片加厚，在从根本上解决散热问题方面已存在明显局限。

传统PoP(PackageonPackage)设计的局限性

对于旗舰级AP与SoC，业界通常采用PoP(Pack-ageonPackage)结构，即将DRAM直接堆叠在AP芯片之上，以提升整体性能。然而，受移动终端对厚度的严格限制影响，封装整体厚度在代际演进中持续减薄。随着封装变薄，AP裸片厚度也随之降低，芯片内部产生的热量向外传导的扩散路径被进一步压缩，散热效率受限，导致芯片温度快速上升并触及热限制，从而直接制约持续性能输出。

在AP工作过程中，封装内硅片产生的热量需要被迅速传导至封装外部，以降低芯片温度。热阻越低，散热效率越高，越有助于在高负载场景下维持稳定性能。为此，终端厂商通常通过热扩散片、均热板等散热组件，将AP产生的热量传导至外部散热结构。然而，在传统POP架构中，DRAM封装位于AP芯片上方，阻断了AP与散热组件之间的直接传热路径。这一结构特性降低了整体传热效率，成为在封装层级与系统层级上制约性能进一步提升的根本性限制因素。

三星HPB封装技术：满足移动AP对持续性能提升的关键需求

三星通过在AP芯片上方引l入热传导块(HeatPath BlocK，HPB)，显著提升了热管理能力。该结构实现了HPB在扇出型晶圆级封装(FoWLP)中的行业首次应用，有效降低了封装内部热阻，使移动AP即使在高负载工况下也能保持稳定性能。

在此基础上，三星开发出一种全新的封装类型，用以更高效地将AP裸片产生的热量传导至手机整机的散热组件。与传统PoP结构中DRAM封装位于AP上方、阻碍散热不同，该新结构对DRAM位置进行了重新布局，使其不再覆盖主要发热区域；同时，将具备高效导热能力的HPB直接布置在热源上方，从而构建更直接、更高效的散热路径。

HPB的核心优势

三星在开发HPB时确立了一个明确目标：高效导出AP裸片产生的热量，确保性能长期稳定释放。为在引入HPB的同时保持封装结构的可靠性，三星同步采用了全新的导热界面材料(Thermal Interface Material，TIM)，该材料兼具高导热性能与优异的界面粘结可靠性，从而在提升散热效率的同时，确保封装整体的结构稳定性与可靠性。

在传统POP结构中，位于下层的AP裸片若要将热量向上导出，必须经过中间的DRAM封装。其传热路径依次穿过DRAM封装底部的焊球、基板、DRAM裸片以及环氧模封材料(EMC")。在这一过程中，具有相对较高导热性能的焊球仅分布在有限区域，而基板中的介电层2)、用于芯片贴装的DAF3以及EMC均属于低导热材料，导致热量在DRAM封装内部的传导效率先天受限，从而难以高效传递至均热板等移动终端散热组件。

相比之下，应用于Exynos2600的HPB采用金属材料制造(铜，导热系数约400W/m·K)，其导热性能较基板、DAF或EMC等聚合物材料高出约500-1.000倍。借此，AP裸片产生的热量可被迅速导出封装之外，有效抑制热源处的温升，为实现稳定、可持续的性能输出提供了有利条件。

从挑战到突破：塑造三星移动封装未来的研发之路

在新封装的开发过程中，设计团队针对AP裸片向HPB方向的热传导路径进行了优化，相较于传统PoP结构显著提升了散热效率。具体做法包括将DRAM封装面积缩减至约一半，并对整体封装高度与AP封装厚度进行协同优化。这些结构调整旨在增强热传导路径，同时尽量避免整体封装尺寸增加。

由于DRAM的非对称布局，AP-DRAM接口也进行了重新设计，并对芯片及封装整体架构进行了改造，以兼顾性能与可靠性。此外，HPB结构的降温效果在开发阶段已通过多视角模拟进行预验证，并结合材料、工艺和产品各阶段的根因分析与选代优化，实现了目标性能的稳定达成。这一过程依托相关部门的紧密协作，形成了高效的跨职能开发体系。

随着移动处理器在严格厚度约束下对性能的持续提升需求，封装层级的热阻设计将成为保障AP持续性能的关键因素。基于HPB的封装架构展示了通过优化热传导路径的结构性改进，如何有效突破传统封装的限制。

通过HPB的研发，三星电子积累了宝贵的技术经验、验证方法论及强有力的跨部门协作框架。基于此，三星将在未来移动平台上持续推进AP封装技术，实现性能、热稳定性与空间效率的协同提升。

1)环氧模封材料(EMC)：用于半导体封装中封装芯片的模塑材料。

2)介电层(DielectricLayer)：封装基板中用于电路互连之间的绝缘层。

3)芯片贴装膜(DAF，DieAttachFilm)：用于将硅片粘接到基板上的薄膜型粘合剂。