Wat is Package on Package Technology en hoe werkt het?

In de race om kleinere, snellere en krachtigere elektronica te bouwen - van ultradunne smartphones tot compacte medische wearables - heeft traditionele side-by-side chip plaatsing een grens bereikt. Maak kennis met Package on Package (PoP) technologie: een baanbrekende oplossing die chip packages (bijv. een processor aan de onderkant, geheugen erbovenop) verticaal stapelt, waardoor de PCB-ruimte met wel 50% wordt verminderd en de prestaties worden verbeterd. PoP gaat niet alleen over ruimte besparen; het verkort signaalpaden, vermindert het stroomverbruik en maakt upgrades gemakkelijker - cruciaal voor apparaten waar elke millimeter en milliwatt ertoe doet. Deze gids legt uit wat PoP is, hoe het werkt, de belangrijkste voordelen, real-world toepassingen en de nieuwste ontwikkelingen die de toekomst vormgeven.

Belangrijkste punten
1. Ruimte-efficiëntie: PoP stapelt chips verticaal (vs. side-by-side), waardoor de PCB-voetafdruk met 30–50% wordt verminderd - waardoor dunnere apparaten zoals smartwatches en opvouwbare telefoons mogelijk worden.
2. Snellere prestaties: Verkorte signaalpaden tussen gestapelde chips (bijv. CPU + RAM) verminderen de vertraging met 20–40% en verlagen het stroomverbruik met 15–25%.
3. Modulariteit: Elke chip wordt afzonderlijk getest en kan worden vervangen - het repareren van een defecte RAM-chip vereist niet dat het hele processorpakket wordt vervangen.
4. Veelzijdigheid: Werkt met chips van verschillende leveranciers (bijv. een Qualcomm CPU + Samsung RAM) en ondersteunt upgrades (bijv. het verwisselen van 4GB RAM voor 8GB).
5. Brede toepassingen: Domineert consumentenelektronica (smartphones, tablets), automotive (ADAS-systemen), gezondheidszorg (draagbare monitoren) en 5G telecom (basisstations).

Wat is Package on Package (PoP) Technologie?
PoP is een geavanceerde verpakkingstechniek die twee of meer halfgeleiderpakketten verticaal stapelt, waardoor een enkele, compacte module ontstaat. In tegenstelling tot traditionele "side-by-side" plaatsing (waarbij CPU en RAM afzonderlijke PCB-ruimte innemen), legt PoP kritieke componenten over elkaar heen - typisch een logic chip (CPU, SoC) aan de onderkant en een geheugenchip (DRAM, flash) erbovenop - verbonden door kleine soldeerbolletjes of microbumps. Dit ontwerp transformeert de manier waarop elektronica wordt gebouwd, waarbij miniaturisatie prioriteit krijgt zonder de prestaties op te offeren.

Kern Definitie & Doel
In de kern lost PoP twee grootste uitdagingen in moderne elektronica op:

1. Ruimtebeperkingen: Naarmate apparaten dunner worden (bijv. 7 mm smartphones), is er geen ruimte voor side-by-side chips. PoP stapelt componenten om verticale ruimte te gebruiken in plaats van horizontale.
2. Prestatieknelpunten: Lange signaalpaden tussen verre chips (bijv. CPU aan de ene kant van de PCB, RAM aan de andere kant) veroorzaken vertragingen en signaalverlies. PoP plaatst chips millimeters uit elkaar, waardoor de gegevensoverdracht wordt opgeladen.

PoP is ook modulair: Elke chip wordt getest voordat deze wordt gestapeld. Als een geheugenchip defect raakt, vervang je alleen dat onderdeel - niet de hele module. Deze flexibiliteit is een enorm voordeel ten opzichte van geïntegreerde pakketten (waarbij chips permanent zijn verbonden), waardoor de reparatiekosten met 60% worden verlaagd.

Belangrijkste Componenten van een PoP Stack
Een basis PoP-opstelling heeft vier kritieke onderdelen; geavanceerde ontwerpen voegen extra's toe zoals interposers voor betere prestaties:

Voorbeeld: De PoP-module van een smartphone kan een 5nm Snapdragon 8 Gen 4 (onderste pakket) hebben, gestapeld met 8GB LPDDR5X RAM (bovenste pakket), verbonden door 0,4 mm-pitch soldeerbolletjes. Deze module neemt slechts 15 mm × 15 mm PCB-ruimte in beslag - de helft van de grootte van side-by-side plaatsing.

Hoe PoP Technologie Werkt: Stap-voor-Stap Proces
PoP-assemblage is een precisiegedreven proces dat gespecialiseerde apparatuur vereist (bijv. laser soldeerbolletjes jetters, röntgeninspecteurs) om uitlijning en betrouwbaarheid te garanderen. Hieronder staat de standaard workflow:

1. Pre-Assembly Voorbereiding
Voor het stapelen moet elke component worden gereinigd, getest en voorbereid om defecten te voorkomen:

a. PCB-reiniging: De basis-PCB wordt gereinigd met ultrasone golven of perslucht om stof, olie of residu te verwijderen - verontreinigingen die soldeerverbindingen verbreken.
b. Soldeerpasta aanbrengen: Een sjabloon (dunne metalen plaat met kleine gaatjes) wordt gebruikt om een precieze hoeveelheid soldeerpasta aan te brengen op de padlocaties van de PCB (waar het onderste pakket komt te zitten).
c. Chip testen: Zowel de onderste (logica) als de bovenste (geheugen) chips worden afzonderlijk getest (met behulp van geautomatiseerde testapparatuur, ATE) om ervoor te zorgen dat ze functioneel zijn - defecte chips worden weggegooid om te voorkomen dat er tijd wordt verspild aan het stapelen.

2. Onderste Pakket Plaatsing
De logic chip (bijv. SoC) wordt eerst op de PCB geplaatst, omdat dit de "fundering" van de stack is:

a. Precisieplaatsing: Een pick-and-place machine (met 1–5 μm nauwkeurigheid) positioneert het onderste pakket op de met soldeerpasta bedekte PCB-pads.
b. Tijdelijke bevestiging: Het pakket wordt op zijn plaats gehouden met lijm op lage temperatuur of vacuümdruk om verschuiving tijdens het reflowen te voorkomen.

3. Bovenste Pakket Plaatsing
De geheugenchip wordt direct bovenop het onderste pakket gestapeld, uitgelijnd op de soldeerpads:

a. Soldeerbolletjes bevestiging: Het bovenste pakket (geheugen) heeft vooraf aangebrachte soldeerbolletjes (0,06–0,9 mm) op het onderste oppervlak. Deze bolletjes passen bij de pad-indeling op het onderste pakket.
b. Uitlijningscontrole: Een visionsysteem (camera + software) zorgt ervoor dat het bovenste pakket perfect is uitgelijnd met het onderste pakket - zelfs een verkeerde uitlijning van 0,1 mm kan verbindingen verbreken.

4. Reflow Solderen
De hele stack wordt verwarmd om het soldeer te smelten, waardoor permanente verbindingen ontstaan:

a. Ovenverwerking: De PCB + gestapelde pakketten gaan door een reflow-oven met een gecontroleerd temperatuurprofiel (bijv. 250°C piek voor loodvrij soldeer). Dit smelt de soldeerpasta (op de PCB) en de soldeerbolletjes van het bovenste pakket, waardoor sterke elektrische en mechanische verbindingen ontstaan.
b. Koeling: De stack koelt langzaam af om thermische spanning te voorkomen (die soldeerscheuren veroorzaakt) - cruciaal voor langdurige betrouwbaarheid.

5. Inspectie & Testen
Geen PoP-module verlaat de fabriek zonder rigoureuze controles:

a. Röntgeninspectie: Röntgenmachines zoeken naar verborgen defecten (bijv. soldeervoids, ontbrekende bolletjes) die met het blote oog niet zichtbaar zijn.
b. Elektrisch testen: Een "flying probe" tester controleert of signalen correct stromen tussen de bovenste/onderste pakketten en de PCB.
c. Mechanisch testen: De module wordt onderworpen aan thermische cycli (bijv. -40°C tot 125°C) en trillingstests om ervoor te zorgen dat deze de praktijk overleeft.

Pro Tip: Geavanceerde PoP-ontwerpen gebruiken through-silicon vias (TSV's) - kleine gaatjes die door chips worden geboord - om lagen te verbinden in plaats van alleen soldeerbolletjes. TSV's verminderen de signaalvertraging met 30% en maken 3D-stapeling mogelijk (meer dan twee lagen).

Kritieke Details: Verbinding & Materialen
De "lijm" die PoP laat werken, is het verbindingssysteem - soldeerbolletjes of microbumps - en de materialen die worden gebruikt om de stack te bouwen. Deze keuzes hebben direct invloed op de prestaties, betrouwbaarheid en kosten.

Soldeerbolletjes: De Ruggegraat van PoP Verbindingen
Soldeerbolletjes zijn de belangrijkste manier waarop bovenste en onderste pakketten verbinding maken. Hun grootte, legering en plaatsing bepalen hoe goed de stack werkt:

Interposers: Geavanceerde Verbindingen voor High-Performance PoP
Voor high-end apparaten (bijv. 5G-basisstations, gaming GPU's) gebruikt PoP interposers - dunne lagen tussen de bovenste en onderste pakketten - om signaal- en warmte-uitdagingen op te lossen:

1. Wat is een interposer? Een dunne plaat (silicium, glas of organisch materiaal) met kleine draden of TSV's die fungeren als een "brug" tussen chips. Het verdeelt stroom, vermindert overspraak en verspreidt warmte.
2. Silicium interposers: De gouden standaard voor hoge prestaties. Ze hebben ultra-fijne bedrading (1–5 μm breedte) en TSV's, waardoor 100.000+ verbindingen per module mogelijk zijn. Gebruikt in chips zoals NVIDIA GPU's.
3. Glas interposers: Opkomend alternatief - goedkoper dan silicium, betere hittebestendigheid en compatibel met grote panelen. Ideaal voor 5G- en datacenterchips.
4. Organische interposers: Lage kosten, flexibel en lichtgewicht. Gebruikt in consumentenapparaten (bijv. mid-range smartphones) waar kosten belangrijker zijn dan extreme prestaties.

Voorbeeld: TSMC's CoWoS (Chip on Wafer on Substrate) is een geavanceerde PoP-variant die een silicium interposer gebruikt om een GPU te stapelen met HBM (High-Bandwidth Memory). Dit ontwerp levert 5x meer bandbreedte dan traditionele side-by-side plaatsing.

De Voordelen van PoP Technologie
PoP is niet alleen een ruimtebesparende truc - het levert tastbare voordelen op voor apparaatontwerpers, fabrikanten en eindgebruikers.

1. Ruimte-efficiëntie: Het #1 Voordeel
Het grootste verkoopargument van PoP is de mogelijkheid om de PCB-voetafdruk te verkleinen. Door chips verticaal te stapelen:

a. Verminderde grootte: Een PoP-module (CPU + RAM) neemt 30–50% minder ruimte in beslag dan side-by-side plaatsing. Een PoP-module van 15 mm × 15 mm vervangt bijvoorbeeld twee chips van 12 mm × 12 mm (die 288 mm² vs. 225 mm² innemen).
b. Dunnere apparaten: Verticale stapeling elimineert de noodzaak van brede PCB-sporen tussen chips, waardoor dunnere ontwerpen mogelijk zijn (bijv. 7 mm smartphones vs. 10 mm modellen met traditionele verpakking).
c. Meer functies: Bespaarde ruimte kan worden gebruikt voor grotere batterijen, betere camera's of extra sensoren - cruciaal voor concurrerende consumentenelektronica.

2. Prestatieverbetering: Sneller, Efficiënter
Kortere signaalpaden tussen gestapelde chips transformeren de prestaties:

a. Snellere gegevensoverdracht: Signalen reizen slechts 1–2 mm (vs. 10–20 mm in side-by-side ontwerpen), waardoor de vertraging (latentie) met 20–40% wordt verminderd. Hierdoor laden apps sneller en draaien games soepeler.
b. Lager stroomverbruik: Kortere paden betekenen minder elektrische weerstand, waardoor het stroomverbruik met 15–25% wordt verminderd. Een smartphone met PoP kan 1–2 uur langer meegaan op een enkele lading.
c. Betere signaalkwaliteit: Minder afstand vermindert overspraak (signaalinterferentie) en verlies, waardoor de betrouwbaarheid van gegevens wordt verbeterd - cruciaal voor 5G en geheugen met hoge snelheid (LPDDR5X).

De onderstaande tabel kwantificeert deze prestatiewinsten:

3. Modulariteit & Flexibiliteit
Het modulaire ontwerp van PoP maakt het gemakkelijk om zich aan te passen aan verschillende behoeften:

a. Mix en match chips: Je kunt een CPU van de ene leverancier (bijv. MediaTek) combineren met RAM van een andere (bijv. Micron) - het is niet nodig om het hele pakket opnieuw te ontwerpen.
b. Gemakkelijke upgrades: Als je een "12GB RAM"-versie van een smartphone wilt aanbieden, verwissel je gewoon het bovenste pakket (4GB → 12GB) in plaats van de PCB te veranderen.
c. Eenvoudigere reparaties: Als een geheugenchip defect raakt, vervang je alleen dat onderdeel - niet de hele CPU-module. Dit verlaagt de reparatiekosten met 60% voor fabrikanten.

4. Kostenbesparingen (Lange Termijn)
Hoewel PoP hogere initiële kosten heeft (gespecialiseerde apparatuur, testen), bespaart het op de lange termijn geld:

a. Lagere PCB-kosten: Kleinere PCB's gebruiken minder materiaal en vereisen minder sporen, waardoor de productiekosten met 10–15% worden verlaagd.
b. Minder montagestappen: Het stapelen van twee chips in één module elimineert de noodzaak om ze afzonderlijk te plaatsen en te solderen, waardoor de arbeidstijd wordt verkort.
c. Geschaalde productie: Naarmate de PoP-adoptie groeit (bijv. 80% van de vlaggenschip smartphones gebruiken PoP), verlagen schaalvoordelen de kosten van componenten en apparatuur.

PoP Toepassingen: Waar Het Vandaag Wordt Gebruikt
PoP-technologie is overal - in de apparaten die we dagelijks gebruiken en de industrieën die innovatie stimuleren.

1. Consumentenelektronica: De Grootste Adoptant
Consumentenapparaten vertrouwen op PoP om miniaturisatie en prestaties in evenwicht te brengen:

a. Smartphones: Vlaggenschipmodellen (iPhone 15 Pro, Samsung Galaxy S24) gebruiken PoP voor hun SoC + RAM-modules, waardoor dunne ontwerpen met 8GB–16GB RAM mogelijk zijn.
b. Wearables: Smartwatches (Apple Watch Ultra, Garmin Fenix) gebruiken kleine PoP-modules (5 mm × 5 mm) om een CPU, RAM en flashgeheugen in een behuizing van 10 mm dik te passen.
c. Tablets & Laptops: 2-in-1 apparaten (Microsoft Surface Pro) gebruiken PoP om ruimte te besparen voor grotere batterijen, waardoor de batterijduur met 2–3 uur wordt verlengd.
d. Gameconsoles: Handhelds (Nintendo Switch OLED) gebruiken PoP om een aangepaste NVIDIA Tegra CPU met RAM te stapelen, waardoor soepele gameplay in een compacte vorm wordt geleverd.

2. Automotive: Aandrijving van Verbonden Auto's
Moderne auto's gebruiken PoP in kritieke systemen waar ruimte en betrouwbaarheid ertoe doen:

a. ADAS (Advanced Driver Assistance Systems): PoP-modules voeden radar-, camera- en lidar-systemen - het stapelen van een processor met geheugen vermindert de latentie, waardoor auto's sneller op gevaren kunnen reageren.
b. Infotainment: Auto-touchscreens gebruiken PoP om navigatie-, muziek- en connectiviteitsfuncties uit te voeren zonder te veel dashboardruimte in beslag te nemen.
c. EV-componenten: Elektrische voertuigbatterijbeheersystemen (BMS) gebruiken PoP om een microcontroller met geheugen te stapelen, waardoor de batterijconditie in realtime wordt bewaakt.

3. Gezondheidszorg: Kleine, Betrouwbare Medische Apparaten
Medische wearables en draagbare hulpmiddelen zijn afhankelijk van de miniaturisatie van PoP:

a. Draagbare Monitoren: Apparaten zoals Apple Watch Series 9 (met ECG) gebruiken PoP om een hartslagsensor, CPU en geheugen in een band van 10 mm dik te passen.
b. Draagbare Diagnostiek: Handheld bloedglucosemeters gebruiken PoP om gegevens snel te verwerken en resultaten op te slaan - cruciaal voor diabetespatiënten.
c. Implanteerbare Apparaten: Hoewel de meeste implantaten kleinere verpakkingen gebruiken, gebruiken sommige externe apparaten (bijv. insulinepompen) PoP om de grootte en functionaliteit in evenwicht te brengen.

4. Telecommunicatie: 5G & Verder
5G-netwerken hebben snelle, compacte chips nodig - PoP levert:

a. Basisstations: 5G-basisstations gebruiken PoP om signaalprocessors met geheugen te stapelen, waardoor duizenden verbindingen in een kleine buiteneenheid worden verwerkt.
b. Routers & Modems: Thuis 5G-routers gebruiken PoP om ruimte te besparen, waarbij een modem, CPU en RAM in een apparaat ter grootte van een boek passen.

De onderstaande tabel vat de industriële toepassingen van PoP samen:

Nieuwste Ontwikkelingen in PoP Technologie
PoP evolueert snel, gedreven door de vraag naar nog kleinere, snellere apparaten. Hieronder staan de meest impactvolle recente ontwikkelingen:
1. 3D PoP: Meer Dan Twee Lagen Stapelen
Traditionele PoP stapelt twee lagen (CPU + RAM), maar 3D PoP voegt er meer toe - waardoor nog hogere integratie mogelijk is:

a. TSV-Powered Stacking: Through-silicon vias (TSV's) boren door chips om drie of meer lagen te verbinden (bijv. CPU + RAM + flashgeheugen). Samsung's 3D PoP-modules voor smartphones stapelen 3 lagen, waardoor 12GB RAM + 256GB flash in een pakket van 15 mm × 15 mm wordt geleverd.
b. Wafer-Level PoP (WLPoP): In plaats van afzonderlijke chips te stapelen, worden hele wafers aan elkaar gebonden. Dit vermindert de kosten en verbetert de uitlijning - gebruikt in apparaten met een hoog volume, zoals mid-range smartphones.

2. Hybride Bonding: Koper-naar-Koper Verbindingen
Soldeerbolletjes worden vervangen door hybride bonding (koper-naar-koper verbindingen) voor ultra-hoge prestaties:

a. Hoe het werkt: Kleine koperen pads op de bovenste en onderste pakketten worden tegen elkaar gedrukt, waardoor een directe, lage weerstandsverbinding ontstaat. Er is geen soldeer nodig.
b. Voordelen: 5x meer verbindingen per mm² dan soldeerbolletjes; lagere latentie (1ns vs. 2ns); betere warmteoverdracht. Gebruikt in geavanceerde chips zoals AMD's MI300X GPU (voor AI-datacenters).

3. Geavanceerde Interposers: Glas & Organische Materialen
Silicium interposers zijn geweldig voor prestaties, maar duur. Nieuwe materialen maken interposers toegankelijker:

a. Glas Interposers: Goedkoper dan silicium, betere hittebestendigheid en compatibel met grote panelen. Corning's glazen interposers worden gebruikt in 5G-basisstations, waardoor 100.000+ verbindingen per module mogelijk zijn.
b. Organische Interposers: Flexibel, lichtgewicht en goedkoop. Gebruikt in consumentenapparaten zoals smartwatches, waar prestatiebehoeften lager zijn dan datacenters.

4. Co-Packaged Optics (CPO): Chips & Optiek Samenvoegen
Voor datacenters integreert CPO optische componenten (bijv. lasers, detectoren) met PoP-stacks:

a. Hoe het werkt: Het bovenste pakket bevat optische onderdelen die gegevens verzenden/ontvangen via glasvezel, terwijl het onderste pakket een CPU/GPU is.
b. Voordelen: 50% lager stroomverbruik dan afzonderlijke optiek; 10x meer bandbreedte (100 Gbps+ per kanaal). Gebruikt in cloud datacenters (AWS, Google Cloud) om AI-workloads af te handelen.

5. Panel-Level PoP (PLPoP): Massaproductie op Schaal
Panel-level verpakking bouwt honderden PoP-modules op een enkel groot paneel (vs. afzonderlijke wafers):

a. Voordelen: Verkort de productietijd met 40%; verlaagt de kosten per module met 20%. Ideaal voor apparaten met een hoog volume, zoals smartphones.
b. Uitdaging: Panelen kunnen tijdens de verwerking buigen - nieuwe materialen (bijv. versterkte organische substraten) lossen dit probleem op.

FAQ
1. Wat is het verschil tussen PoP en 3D IC-verpakking?
PoP stapelt voltooide pakketten (bijv. een CPU-pakket + een RAM-pakket), terwijl 3D IC kale chips (ongepakt die) stapelt met behulp van TSV's. PoP is modularer (gemakkelijker om chips te vervangen), terwijl 3D IC kleiner en sneller is (beter voor high-performance apparaten zoals GPU's).

2. Kunnen PoP-stacks hoge temperaturen aan (bijv. in auto's)?
Ja - automotive-grade PoP gebruikt hittebestendig soldeer (bijv. tin-loodlegering) en materialen (ENIG-afwerkingen) die -40°C tot 125°C overleven. Het wordt getest op 1.000+ thermische cycli om de betrouwbaarheid te garanderen.

3. Is PoP alleen voor kleine apparaten?
Nee - hoewel PoP veel voorkomt in smartphones/wearables, wordt het ook gebruikt in grote systemen zoals 5G-basisstations en datacenterservers. Deze gebruiken grotere PoP-modules (20 mm × 20 mm+) met interposers om hoge vermogens aan te kunnen.

4. Hoeveel kost PoP-technologie in vergelijking met traditionele verpakkingen?
PoP heeft 20–30% hogere initiële kosten (apparatuur, testen), maar besparingen op de lange termijn (kleinere PCB's, minder reparaties) compenseren dit. Voor productie met een hoog volume (1M+ eenheden) wordt PoP goedkoper dan traditionele verpakkingen.

5. Kan PoP worden gebruikt met AI-chips?
Absoluut - AI-chips (bijv. NVIDIA H100, AMD MI300) gebruiken geavanceerde PoP-varianten (met interposers) om GPU's met HBM-geheugen te stapelen. Dit levert de hoge bandbreedte die AI-workloads nodig hebben.

Conclusie
Package on Package (PoP) technologie heeft de manier waarop we moderne elektronica bouwen opnieuw gedefinieerd - en "te klein" veranderd in "precies goed" voor apparaten, van smartphones tot 5G-basisstations. Door chips verticaal te stapelen, lost PoP de dubbele uitdagingen van miniaturisatie en prestaties op: het vermindert de PCB-ruimte met 30–50%, vermindert de latentie met 60% en verlaagt het stroomverbruik met 25% - en houdt tegelijkertijd de ontwerpen modulair en repareerbaar.

Naarmate de technologie vordert, wordt PoP alleen maar beter. 3D-stapeling, hybride bonding en glazen interposers verleggen de grenzen, waardoor nog kleinere, snellere en efficiëntere apparaten mogelijk worden. Voor industrieën als automotive (ADAS) en gezondheidszorg (draagbare monitoren) is PoP niet alleen een luxe - het is een noodzaak om te voldoen aan strenge eisen op het gebied van grootte en betrouwbaarheid.

Voor ontwerpers en fabrikanten is de boodschap duidelijk: PoP is niet zomaar een verpakkingstrend - het is de toekomst van elektronica. Of je nu een dunne smartphone, een robuust autosysteem of een datacenter-GPU bouwt, PoP biedt de ruimtebesparing, prestaties en flexibiliteit die nodig zijn om concurrerend te blijven. Naarmate de vraag naar kleinere, slimmere apparaten groeit, zal PoP voorop blijven lopen in innovatie - en de elektronica vormgeven die we morgen gebruiken.