集成電路封裝發(fā)展

1、集成電路封裝發(fā)展摘要：集成電路封裝是指利用膜技術(shù)及細微加工技術(shù)，將芯片及其他要素在框架或基板上布局、粘貼固定及連接，引出接線端子并通過可塑性絕緣介質(zhì)灌注固定構(gòu)成整體立體結(jié)構(gòu)的工藝。它不僅起著安裝、固定、密封、保護芯片及增強電熱性能等方面的作用，而且還通過芯片上的接點用導(dǎo)線連接到封裝外殼的引腳上，這些引腳又通過印刷電路板上的導(dǎo)線與其他器件相連接，從而實現(xiàn)內(nèi)部芯片與外部電路的連接。集成電路封裝是伴隨集成電路的發(fā)展而前進的。隨著集成電路及封裝技術(shù)的不斷發(fā)展，整機也向著多功能、小型化方向發(fā)展。這樣，就要求集成電路的集成度越來越高，功能越來越復(fù)雜。相應(yīng)地要求集成電路封裝密度越來越大，引線數(shù)越來越多，而體

2、積越來越小，重量越來越輕，更新?lián)Q代越來越快，封裝結(jié)構(gòu)的合理性和科學性將直接影響集成電路的質(zhì)量。因此，對于集成電路的制造者和使用者，系統(tǒng)的認識和了解當下主流的集成電路封裝技術(shù)，就顯得非常的必要。關(guān)鍵詞：IC封裝；集成電路；封裝技術(shù)Integrated circuit packaging developmentAbstract: Integrated circuit packaging is a process which use membrane technology and fine processing technology to layout, paste and fixed, and c

3、onnects the IC and other components on the lead frame or PCB board to draw forth terminal and form whole solid construction using infusion fixed method with plasticity insulating medium. It is not only very important to set up and fixing and sealing and protecting chip and to enhance the performance

4、 of electric heating property, but also important to achieve connecting between inner chip and external circuit which using conductor to draw forth terminal from the output point of the inner chip to form the terminal of package shell. Then use those terminals and the circuit on PCB board to connect

5、 other components. Integrated circuit packaging was gone along with the development of integrated circuit. During the continuous development of integrated circuit and package technology, the whole set also become smaller and smaller, and the same time the function become more and more powerful. So r

6、equire integrated circuit to become more and more intensive and complex to catch it. Correspondingly require integrated circuit packaging to become more and more intensive and the number of terminal become more and more, the size and the weight become smaller and smaller, the updating of technology

7、become faster and faster. The reasonability and scientificity of package structure will affect directly the quality of integrated circuit. Therefore it is very necessary to systematically study and learn current popular integrated circuit packaging technology for the manufacturers and users.Key word

8、s: Integrated circuit packaging; Integrated circuit; Packaging technology 1 引言隨著電子產(chǎn)品在個人、醫(yī)療、家庭、汽車、環(huán)境和安防系統(tǒng)等領(lǐng)域得到應(yīng)用，同時在日常生活中更加普及，對新型封裝技術(shù)和封裝材料的需求變得愈加迫切。從80年代中后期開始電子產(chǎn)品正朝著便攜式、小型化、網(wǎng)絡(luò)化和多媒體化方向發(fā)展。這種市場需求，對電路封裝技術(shù)提出了相應(yīng)的要求：單位體積信息的提高（高密度化）和單位時間處理速度的提高（高速度化）。為了滿足這些要求，勢必要提高電路組裝的功能密度，這就為芯片封裝技術(shù)的發(fā)展提供了動力。同時由于集成電路不僅僅是單塊芯片

9、或者基本電子元件結(jié)構(gòu)，集成電路的種類千差萬別（模擬電路、數(shù)字電路、射頻電路、傳感器等），因而對于封裝技術(shù)的要求也各不相同。封裝技術(shù)其實就是一種將集成電路打包的技術(shù)。拿我們常見的內(nèi)存來說，我們實際看到的體積和外觀并不是真正的內(nèi)存的大小和面貌。而是內(nèi)存芯片經(jīng)過打包即封裝后的產(chǎn)品。這種打包對于芯片來說是必須的，因為芯片必須與外界隔離，以防止空氣中的雜質(zhì)對芯片電路的腐蝕而造成電氣性能的下降。另一方面封裝后的芯片也更便于安裝和運輸。由于封裝技術(shù)的好壞還直接影響到芯片自身性能的發(fā)揮和與之連接的PCB板（Print Circuit Board，印刷電路板）的設(shè)計和制造，因此它是至關(guān)重要的。2 封裝的作用集成

10、電路封裝不僅起到集成電路芯片內(nèi)鍵合點與外部進行電氣連接的作用，也為集成電路芯片提供了一個穩(wěn)定可靠的工作環(huán)境，對集成電路芯片起到機械或環(huán)境保護的作用，從而集成電路芯片能夠發(fā)揮正常的功能，并保證其具有高穩(wěn)定性和可靠性?？傊?，集成電路封裝質(zhì)量的好壞，對集成電路總體的性能優(yōu)劣關(guān)系很大。因此，封裝應(yīng)具有較強的機械性能、良好的電氣性能、散熱性能和化學穩(wěn)定性。雖然IC的物理結(jié)構(gòu)、應(yīng)用領(lǐng)域、I/O數(shù)量差異很大，但是IC封裝的作用和功能卻差別不大，封裝的目的也相當?shù)囊恢?。作為“芯片的保護者”，封裝起到了好幾個作用，歸納起來主要有兩個根本的功能：（1）保護芯片，使其免受物理損傷；（2）重新分布I/O，獲得更易于在

11、裝配中處理的引腳節(jié)距。封裝還有其他一些次要的作用，比如提供一種更易于標準化的結(jié)構(gòu)，為芯片提供散熱通路，使芯片避免產(chǎn)生粒子造成的軟錯誤，以及提供一種更方便于測試和老化試驗的結(jié)構(gòu)。封裝還能用于多個IC的互連。可以使用引線鍵合技術(shù)等標準的互連技術(shù)來直接進行互連?；蛘咭部捎梅庋b提供的互連通路，如混合封裝技術(shù)、多芯片組件（MCM）、系統(tǒng)級封裝（SiP）以及更廣泛的系統(tǒng)體積小型化和互連(VSMI)概念所包含的其他方法中使用的互連通路，來間接地進行互連。隨著微電子機械系統(tǒng)(MEMS)器件和片上實驗室（lab-on-chip）器件的不斷發(fā)展，封裝起到了更多的作用：如限制芯片與外界的接觸、滿足壓差的要求以及滿足

12、化學和大氣環(huán)境的要求。人們還日益關(guān)注并積極投身于光電子封裝的研究，以滿足這一重要領(lǐng)域不斷發(fā)展的要求。最近幾年人們對IC封裝的重要性和不斷增加的功能的看法發(fā)生了很大的轉(zhuǎn)變，IC封裝已經(jīng)成為了和IC本身一樣重要的一個領(lǐng)域。這是因為在很多情況下，IC的性能受到IC封裝的制約，因此，人們越來越注重發(fā)展IC封裝技術(shù)以迎接新的挑戰(zhàn)。3 封裝形式集成電路發(fā)展初期，其封裝主要是在半導(dǎo)體晶體管的金屬圓形外殼基礎(chǔ)上增加外引線數(shù)而形成的。但金屬圓形外殼的引線數(shù)受結(jié)構(gòu)的限制不可能無限增多，而且這種封裝引線過多時也不利于集成電路的測試和安裝，從而出現(xiàn)了扁平式封裝。而扁平式封裝不易焊接，隨著波峰焊技術(shù)的發(fā)展又出現(xiàn)了雙列式

13、封裝。由于軍事技術(shù)的發(fā)展和整機小型化的需要，集成電路的封裝又有了新的變化，相繼產(chǎn)生了片式載體封裝、四面引線扁平封裝、針柵陣列封裝、載帶自動焊接封裝等。同時，為了適應(yīng)集成電路發(fā)展的需要，還出現(xiàn)了功率型封裝、混合集成電路封裝以及適應(yīng)某些特定環(huán)境和要求的恒溫封裝、抗輻照封裝和光電封裝。并且各類封裝逐步形成系列，引線數(shù)從幾條直到上千條，已充分滿足集成電路發(fā)展的需要。4 封裝材料如上所述，集成電路封裝的作用之一就是對芯片進行環(huán)境保護，避免芯片與外部空氣接觸。因此必須根據(jù)不同類別的集成電路的特定要求和使用場所，采取不同的加工方法和選用不同的封裝材料，才能保證封裝結(jié)構(gòu)氣密性達到規(guī)定的要求。集成電路早期的封裝

14、材料是采用有機樹脂和蠟的混合體，用充填或灌注的方法來實現(xiàn)封裝的，顯然可靠性很差。也曾應(yīng)用橡膠來進行密封，由于其耐熱、耐油及電性能都不理想而被淘汰。使用廣泛、性能最為可靠的氣密密封材料是玻璃-金屬封裝、陶瓷-金屬封裝和低熔玻璃-陶瓷封裝。處于大量生產(chǎn)和降低成本的需要，塑料模型封裝已經(jīng)大量涌現(xiàn)，它是以熱固性樹脂通過模具進行加熱加壓來完成的，其可靠性取決于有機樹脂及添加劑的特性和成型條件，但由于其耐熱性較差和具有吸濕性，還不能與其他封裝材料性能相當，尚屬于半氣密或非氣密的封接材料。隨著芯片技術(shù)的成熟和芯片成品率的迅速提高，處于后部的封裝成本占整個集成電路成本的比重也愈來愈大，封裝技術(shù)的變化和發(fā)展日新

15、月異，令人目不暇接。5 集成電路封裝類型5.1 DIP雙列直插式封裝DIP(DualInline Package)是指采用雙列直插形式封裝的集成電路芯片，絕大多數(shù)中小規(guī)模集成電路(IC)均采用這種封裝形式，其引腳數(shù)一般不超過100個。采用DIP封裝的CPU芯片有兩排引腳，需要插入到具有DIP結(jié)構(gòu)的芯片插座上。當然，也可以直接插在有相同焊孔數(shù)和幾何排列的電路板上進行焊接。DIP封裝的芯片在從芯片插座上插拔時應(yīng)特別小心，以免損壞引腳。DIP封裝具有以下特點：1.適合在PCB(印刷電路板)上穿孔焊接，操作方便。2.芯片面積與封裝面積之間的比值較大，故體積也較大。Intel系列CPU中8088就采用這

16、種封裝形式，緩存(Cache)和早期的內(nèi)存芯片也是這種封裝形式。5.2 SIP單列直插式封裝單列直插式封裝（SIP），引腳從封裝一個側(cè)面引出，排列成一條直線。通常，它們是通孔式的，管腳插入印刷電路板的金屬孔內(nèi)。當裝配到印刷基板上時封裝呈側(cè)立狀。這種形式的一種變化是鋸齒型單列式封裝(ZIP)，它的管腳仍是從封裝體的一邊伸出，但排列成鋸齒型。這樣，在一個給定的長度范圍內(nèi)，提高了管腳密度。引腳中心距通常為2.54mm，引腳數(shù)從2至23，多數(shù)為定制產(chǎn)品。封裝的形狀各異。也有的把形狀與ZIP相同的封裝稱為SIP。5.3 SOP表面焊接式封裝SOP（Small Out-Line Package小外形封裝）

17、是一種很常見的元器件形式。表面貼裝型封裝之一，引腳從封裝兩側(cè)引出呈海鷗翼狀(L 字形)。材料有塑料和陶瓷兩種。19681969年菲利浦公司就開發(fā)出小外形封裝(SOP).以后逐漸派生出SOJ(J型引腳小外形封裝)、TSOP(薄小外形封裝)、VSOP(甚小外形封裝)、SSOP(縮小型SOP)、TSSOP(薄的縮小型SOP)及SOT(小外形晶體管)、SOIC(小外形集成電路)等。5.4 QFP塑料方型扁平式封裝和PFP塑料扁平組件式封裝QFP（Plastic Quad Flat Package）封裝的芯片引腳之間距離很小，管腳很細，一般大規(guī)?；虺笮图呻娐范疾捎眠@種封裝形式，其引腳數(shù)一般在100個

18、以上。用這種形式封裝的芯片必須采用SMD（表面安裝設(shè)備技術(shù)）將芯片與主板焊接起來。采用SMD安裝的芯片不必在主板上打孔，一般在主板表面上有設(shè)計好的相應(yīng)管腳的焊點。將芯片各腳對準相應(yīng)的焊點，即可實現(xiàn)與主板的焊接。用這種方法焊上去的芯片，如果不用專用工具是很難拆卸下來的。 PFP（Plastic Flat Package）方式封裝的芯片與QFP方式基本相同。唯一的區(qū)別是QFP一般為正方形，而PFP既可以是正方形，也可以是長方形。QFP/PFP封裝具有以下特點：1.適用于SMD表面安裝技術(shù)在PCB電路板上安裝布線。2.適合高頻使用。3.操作方便，可靠性高。4.芯片面積與封裝面積之間的比值較小。Int

19、el系列CPU中80286、80386和某些486主板采用這種封裝形式。5.5 PGA插針網(wǎng)格陣列封裝PGA(Pin Grid Array Package)芯片封裝形式在芯片的內(nèi)外有多個方陣形的插針，每個方陣形插針沿芯片的四周間隔一定距離排列。根據(jù)引腳數(shù)目的多少，可以圍成2-5圈。安裝時，將芯片插入專門的PGA插座。為使CPU能夠更方便地安裝和拆卸，從486芯片開始，出現(xiàn)一種名為ZIF的CPU插座，專門用來滿足PGA封裝的CPU在安裝和拆卸上的要求。ZIF(Zero Insertion Force Socket)是指零插拔力的插座。把這種插座上的扳手輕輕抬起，CPU就可很容易、輕松地插入插座中

20、。然后將扳手壓回原處，利用插座本身的特殊結(jié)構(gòu)生成的擠壓力，將CPU的引腳與插座牢牢地接觸，絕對不存在接觸不良的問題。而拆卸CPU芯片只需將插座的扳手輕輕抬起，則壓力解除，CPU芯片即可輕松取出。PGA封裝具有以下特點：1.插拔操作更方便，可靠性高。2.可適應(yīng)更高的頻率。Intel系列CPU中，80486和Pentium、Pentium Pro均采用這種封裝形式。5.6 BGA球柵陣列封裝隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，對集成電路的封裝要求更加嚴格。這是因為封裝技術(shù)關(guān)系到產(chǎn)品的功能性，當IC的頻率超過100MHz時，傳統(tǒng)封裝方式可能會產(chǎn)生所謂的“CrossTalk”現(xiàn)象，而且當IC的管腳數(shù)大于208 P

21、in時，傳統(tǒng)的封裝方式有其困難度。因此，除使用QFP封裝方式外，現(xiàn)今大多數(shù)的高腳數(shù)芯片（如圖形芯片與芯片組等）皆轉(zhuǎn)而使用BGA(Ball Grid Array Package)封裝技術(shù)。BGA一出現(xiàn)便成為CPU、主板上南/北橋芯片等高密度、高性能、多引腳封裝的最佳選擇。BGA封裝技術(shù)又可詳分為五大類：1.PBGA（Plasric BGA）基板：一般為2-4層有機材料構(gòu)成的多層板。Intel系列CPU中，Pentium II、III、IV處理器均采用這種封裝形式。2.CBGA（CeramicBGA）基板：即陶瓷基板，芯片與基板間的電氣連接通常采用倒裝芯片（FlipChip，簡稱FC）的安裝方式。

22、Intel系列CPU中，Pentium I、II、Pentium Pro處理器均采用過這種封裝形式。3.FCBGA（FilpChipBGA）基板：硬質(zhì)多層基板。4.TBGA（TapeBGA）基板：基板為帶狀軟質(zhì)的1-2層PCB電路板。5.CDPBGA（Carity Down PBGA）基板：指封裝中央有方型低陷的芯片區(qū)（又稱空腔區(qū)）。 BGA封裝具有以下特點：a.I/O引腳數(shù)雖然增多，但引腳之間的距離遠大于QFP封裝方式，提高了成品率。b.雖然BGA的功耗增加，但由于采用的是可控塌陷芯片法焊接，從而可以改善電熱性能。c.信號傳輸延遲小，適應(yīng)頻率大大提高。d.組裝可用共面焊接，可靠性大大提高。B

23、GA封裝方式經(jīng)過十多年的發(fā)展已經(jīng)進入實用化階段。1987年，日本西鐵城（Citizen）公司開始著手研制塑封球柵面陣列封裝的芯片（即BGA）。而后，摩托羅拉、康柏等公司也隨即加入到開發(fā)BGA的行列。1993年，摩托羅拉率先將BGA應(yīng)用于移動電話。同年，康柏公司也在工作站、PC電腦上加以應(yīng)用。直到五六年前，Intel公司在電腦CPU中（即奔騰II、奔騰III、奔騰IV等），以及芯片組（如i850）中開始使用BGA，這對BGA應(yīng)用領(lǐng)域擴展發(fā)揮了推波助瀾的作用。目前，BGA已成為極其熱門的IC封裝技術(shù)，其全球市場規(guī)模在2000年已經(jīng)達到12億塊，2005年市場需求比2000年有了約70%的增長幅度。

24、總之，由于CPU和其他超大型集成電路在不斷發(fā)展，集成電路的封裝形式也不斷作出相應(yīng)的調(diào)整變化，而封裝形式的進步又將反過來促進芯片技術(shù)向前發(fā)展。6 封裝的發(fā)展歷程半導(dǎo)體器件有許多封裝型式，從DIP、SOP、QPF、PGA、BGA到CSP再到SIP，技術(shù)指標一代比一代先進，這些都是前人根據(jù)當時的組裝技術(shù)和市場需求而研制的。總體說來，它大概有三次重大的革新：第一次是在上世紀80年代從引腳插入式封裝到表面貼片封裝，極大地提高了印刷電路板上的組裝密度；第二次是在上世紀90 年代球型矩正封裝的出現(xiàn)，它不但滿足了市場高引腳的需求，而且大大地改善了半導(dǎo)體器件的性能；晶片級封裝、系統(tǒng)封裝、芯片級封裝是現(xiàn)在第三次革

25、新的產(chǎn)物，其目的就是將封裝減到最小。每一種封裝都有其獨特的地方，即其優(yōu)點和不足之處，而所用的封裝材料，封裝設(shè)備，封裝技術(shù)根據(jù)其需要而有所不同。驅(qū)動半導(dǎo)體封裝形式不斷發(fā)展的動力是其價格和性能。電子產(chǎn)品是由半導(dǎo)體器件（集成電路和分立器件）、印刷線路板、導(dǎo)線、整機框架、外殼及顯示等部分組成，其中集成電路是用來處理和控制信號，分立器件通常是信號放大，印刷線路板和導(dǎo)線是用來連接信號，整機框架外殼是起支撐和保護作用，顯示部分是作為與人溝通的接口。所以說半導(dǎo)體器件是電子產(chǎn)品的主要和重要組成部分，在電子工業(yè)有“ 工業(yè)之米”的美稱。半導(dǎo)體組裝技術(shù)（Assembly technology）的提高主要體現(xiàn)在它的封裝

26、型式（Package）不斷發(fā)展。通常所指的組裝（Assembly）可定義為：利用膜技術(shù)及微細連接技術(shù)將半導(dǎo)體芯片（chip） 和框架（Lead-Frame）或基板（Substrate）或塑料薄片（Film）或印刷線路板中的導(dǎo)體部分連接以便引出接線引腳，并通過可塑性絕緣介質(zhì)灌封固定，構(gòu)成整體立體結(jié)構(gòu)的工藝技術(shù)。它具有電路連接，物理支撐和保護，外場屏蔽，應(yīng)力緩沖，散熱，尺寸過度和標準化的作用。從三極管時代的插入式封裝以及20世紀80年代的表面貼裝式封裝，發(fā)展 到現(xiàn)在的模塊封裝，系統(tǒng)封裝等等，前人已經(jīng)研究出很多封裝形式，每一種新封裝形式都有可能要用到新材料，新工藝或新設(shè)備。7 集成電路封裝技術(shù)發(fā)展的

27、主流方向 電子工程的發(fā)展方向，是由一個組件（如IC）的開發(fā)，進入到集結(jié)多個組件（如多個IC組合成系統(tǒng)）的階段，再隨著產(chǎn)品效能與輕薄短小的需求帶動下，邁向整合的階段。在此發(fā)展方向的引導(dǎo)下，便形成了現(xiàn)今電子產(chǎn)業(yè)上相關(guān)的兩大主流：系統(tǒng)單芯片（System on chip; SoC）與系統(tǒng)化封裝（System in a package; SiP）。有發(fā)展的精神來看，SoC與SiP是極為相似的；兩者均希望將一個包含邏輯組件、內(nèi)存組件，甚至包含被動組件的系統(tǒng)整合在一個單位中。然而就發(fā)展方向來說，兩者卻是大大的不同：SoC是站在設(shè)計的角度出發(fā)，目的是將一個系統(tǒng)所需的組件整合于一個芯片上；而SiP則是由封裝的

28、立場發(fā)展，將不同功能的芯片整合于一個電子封裝中。在未來電子產(chǎn)品在體積、處理速度或電氣特性各方面的需求考量下，SoC確為未來電子產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵和方向。但SoC發(fā)展至今，除了面臨諸如技術(shù)瓶頸高、CMOS、DRAM、GaAs、SiGe等不同制程整合不易、生產(chǎn)良率低等技術(shù)挑戰(zhàn)尚待克服外，現(xiàn)階段SoC生產(chǎn)成本高，以及其所需研發(fā)時間過長等因素，都造成SoC的發(fā)展面臨瓶頸，也造就SiP的發(fā)展方向再次受到廣泛的討論與看好。SiP(system in a package，封裝內(nèi)系統(tǒng)，或稱系統(tǒng)封裝)是指將不同種類的元件，通過不同技術(shù)，混載于同一封裝之內(nèi)，由此構(gòu)成系統(tǒng)集成封裝形式。該定義是經(jīng)過不斷演變，逐漸形成的，

29、開始是在單芯片封裝中加入無源元件，再到單個封裝中加入多個芯片、疊層芯片以及無源器件，最后封裝構(gòu)成一個體系，即SiP。該定義還包括，SiP應(yīng)以功能塊亞系統(tǒng)形式做成制品，即應(yīng)具備亞系統(tǒng)的所有組成部分和功能。微電子封裝對集成電路(IC)產(chǎn)品的體積、性能、可靠性質(zhì)量、成本等都有重要影響，IC成本的40是用于封裝的，而IC失效率中超過25的失效因素源自封裝。實際上，封裝已成為研發(fā)高性能電子系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)及制約因素，全球領(lǐng)先的整合器件制造商IDM在高密度、高可靠封裝技術(shù)方面秣馬厲兵，封裝被列入重點研發(fā)計劃正處于如火如茶之中。另外，支持發(fā)展速度的硅IC應(yīng)用所需的無源元件的用量也越來越大，其典型值超過1：10

30、，在一些移動終端(手機、筆記本電腦、個人數(shù)字助理PDA、數(shù)碼相機等)產(chǎn)品中，無源元件和有源器件(芯片為主)之比約為50：1，甚至可達100：1，其成本占元器件總額的三分之一左右，無源元件以電阻器和電容器為主，一部典型的GSM手機內(nèi)含500多個無源元件，占電路板面積的50，而且有30-50的焊點與此有關(guān)。著名的摩爾定律仍長期有效，芯片功能發(fā)展強勁，凸現(xiàn)出無源元件的集成化發(fā)展緩慢，IC的各種封裝布線設(shè)計及制作技術(shù)同樣適用于無源元件集成，并可將小型化、集成化的無源元件封裝在統(tǒng)一的封裝結(jié)構(gòu)中。為此，很多IDM和封裝承包商積極推出新一代SIP(System in a package，系統(tǒng)封裝或稱其為封裝

31、內(nèi)系統(tǒng))技術(shù)及其產(chǎn)品，期望以此彌補SOC(System on a chip，片上系統(tǒng))芯片的某些缺陷，推進在一個封裝內(nèi)的無源元件集成化，促進新世紀進入一個各類元器件的大集成時代。7.1 關(guān)于SIP的內(nèi)涵概念封裝就是將具有一定功能的芯片(die，芯?；蚍Q籽芯、管芯)，置入密封在與其相適應(yīng)的一個外殼殼體中，形成一個完善的整體，為芯片提供保護，并保障信號和功率的輸入與輸出，同時，將芯片工作時產(chǎn)生的熱量散發(fā)到外部環(huán)境，確保器件能在所要求的外界環(huán)境及工作條件下穩(wěn)定可靠地運行，盡管封裝形成千差萬別，且不斷發(fā)展，但其生產(chǎn)過程大致可分為晶圓切片、芯片置放裝架、內(nèi)引線鍵合(電氣互連)、密封等幾十個階段。國內(nèi)外I

32、DM和封裝業(yè)界對究竟什么是SIP的內(nèi)涵概念頗有爭議，從不同角度作了很多探索，至今看法不一，各執(zhí)一詞，目前尚未統(tǒng)一成十分嚴格的表征，其技術(shù)方案相繼被披露出來。簡言之，SIP技術(shù)的研發(fā)者和評價者大致有以下多種對SIP內(nèi)涵概念的表述：SIP是基于SOC的一種新封裝技術(shù)，將一個或多個裸芯片及可能的無源元件構(gòu)成的高性能模塊裝載在一個封裝外殼內(nèi)， 包括將這些芯片層疊在一起，且具備一個系統(tǒng)的功能。 SIP將多個IC和無源元件封裝在高性能基板上，可方便地兼容不同制造技術(shù)的芯片，從而使封裝由單芯片級進人系統(tǒng)集成級。SIP是在基板上挖凹槽，芯片鑲嵌其中，可降低封裝體厚度，電阻、電容、電感等生成于基板上方，最后用高

33、分子材料包封。常用的基板材料為FR-4、LCP(Liquid Crystal Polymer)。低溫共燒多層陶瓷LTCC、Qsprey Metal Al/SiC顆粒增強金屬基復(fù)合材料等。 SIP在一個封裝中密封多個芯片，通常采用物理的方法將兩個或多個芯片重疊起來，或在同一封裝襯底上將疊層一個挨一個連接起來，使之具有新的功能。SIP可實現(xiàn)系統(tǒng)集成，將多個IC以及所需的分立器件和無源元件集成在一個封裝內(nèi)，包括多個堆疊在一起的芯片，或?qū)⒍鄠€芯片堆疊整合在同一襯底上，形成的標準化產(chǎn)品，可以像普通的器件一樣在電路板上進行組裝。SIP為一個封裝內(nèi)集成了各種完成系統(tǒng)功能的電路芯片，是縮小芯片線寬之外的另一種

34、提高集成度的方法，而與之相比可大大降低成本和節(jié)省時間。SIP實際上是多S片封裝MCP或芯片尺寸封裝CSP的演進，可稱其為層疊式MCP，堆疊式CSP，特別是CSP因生產(chǎn)成本低，將成為最優(yōu)的集成無源元件技術(shù)，0201型片式元件也可貼放在較大CSP下方，但SIP強凋的是該封裝內(nèi)包含了某種系統(tǒng)的功能。 SIP也就是多芯片堆疊的3D封裝內(nèi)系統(tǒng)(System-in-3D package)集成，在垂直芯片表面的方向上堆疊，互連兩塊以上裸芯片的封裝，其空間占用小，電性能穩(wěn)定，向系統(tǒng)整合封裝發(fā)展。SIP將混合集成的無源元件封裝于四面引線扁平封裝QFP或薄微型封裝TSOP的封裝中，可有效地減少印刷電路板的尺寸，提

35、高組裝密度。SIP可嵌裝不同工藝制作IC芯片，以及內(nèi)嵌無源元件，甚至光器件和微機械電子系統(tǒng)MEMS，提供緊湊而性能優(yōu)異的功能產(chǎn)品給用戶。SIP通過各功能芯片的裸管芯及分立元器件在同一襯底的集成，實現(xiàn)整個系統(tǒng)功能，是一種可實現(xiàn)系統(tǒng)級芯片集成的半導(dǎo)體技術(shù)。SIP是指通過多芯片及無源元件(或無源集成元件)形成的系統(tǒng)功能集中于一個單一封裝內(nèi)，構(gòu)成一個類似的系統(tǒng)器件。當SOC的特征尺寸更小以后，將模擬、射頻和數(shù)字功能整合到一起的難度隨之增大，有一種可選擇的解決方案是將多個不同的裸芯片封裝成一體，從而產(chǎn)生了系統(tǒng)級封裝。以上表述多方面明確了SIP的內(nèi)涵概念，基于系統(tǒng)化設(shè)計思想的SIP方案是富有創(chuàng)意的，所涉及

36、到芯片、系統(tǒng)、材料、封裝等諸多層面問題，涵蓋十分廣泛，是一個較寬泛的指稱，將會隨其技術(shù)的發(fā)展而擴充完善。7.2 SIP的優(yōu)勢特性SIP技術(shù)已有若干重要突破，架構(gòu)上將芯片平面置放改為堆疊式封裝的精、密度增加，性能大大提高，代表著封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢，在多方面存在極大的優(yōu)勢特性，現(xiàn)大體歸納如下：SIP采用一個封裝來完成一個系統(tǒng)目標產(chǎn)品的全部互連以及功能和性能參數(shù)，可同時利用引線鍵合與倒裝焊互連以及別的IC芯片直接內(nèi)連技術(shù)；封裝與芯片面積比增大，SIP在同一封裝中疊加兩個或更多的芯片，把Z方向的空間也利用起來，又不必增加封裝引腳，兩芯片疊裝在同一殼內(nèi)的封裝與芯片面積比增加到170，三芯片疊裝可增至25

37、0；在物理尺寸上必定是小的，例如，SIP封裝體的厚度不斷減少，最先進的技術(shù)可實現(xiàn)五層堆疊芯片只有10mm厚的超薄封裝，三疊層芯片封裝的重量減輕35；SIP可實現(xiàn)不同工藝，材料制作的芯片封裝形成一個系統(tǒng)，有很好的兼容性，并可實現(xiàn)嵌入集成化無源元件的夢幻組合，無線電和便攜式電子整機中現(xiàn)用的無源元件至少可被嵌入30-50，甚至可將Si、GaAs、InP的芯片組合一體化封裝；SIP可提供低功耗和低噪聲的系統(tǒng)級連接，在較高的頻率下工作可以獲得較寬的帶寬，幾乎與SOC相等的總線帶寬；元件集成封裝在統(tǒng)一的外殼結(jié)構(gòu)中，可使總的焊點大為減少，也縮短了元件的連線路程，從而使電性能得以提高；縮短產(chǎn)品研制和投放市場的

38、周期，SIP在對系統(tǒng)進行功能分析和劃分后，可充分利用商品化生產(chǎn)的芯片資源，經(jīng)過合理的電路互連結(jié)構(gòu)及封裝設(shè)計，易于修改、生產(chǎn)，力求以最佳方式和最低成本達到系統(tǒng)的設(shè)計性能，無需像SOC那樣進行版圖級布局布線，從而減少了設(shè)計、驗證、調(diào)試的復(fù)雜性與系統(tǒng)實現(xiàn)量產(chǎn)的時間，可比SOC節(jié)省更多的系統(tǒng)設(shè)計和生產(chǎn)費用，投放市場的時間至少可減少14；采取多項技術(shù)措施，確保SIP具有良好的抗機械和化學侵害的能力以及高可靠性。毫無疑問，SIP與SOC、多芯片組件MCM等有很多驚人的相似之處，分別提供實現(xiàn)不同級別電子系統(tǒng)的變通方法，盡管存在區(qū)別但并不是相互對立的技術(shù)，而是相輔相成適應(yīng)市場的需求。SOC面臨多項制約，如研發(fā)

39、成本高，設(shè)計周期長，驗證及生產(chǎn)工藝復(fù)雜等，在某些情況下是最佳選擇，但絕不是所有系統(tǒng)級集成的唯一選擇，多用于相對高端的市場，MCM將兩個以上裸芯片和片式元器件組裝在一塊高密度多層互連基板上，然后封裝在外殼內(nèi)構(gòu)成高密度功能電子組件、部件、子系統(tǒng)或系統(tǒng)，多采用混合集成技術(shù)，主要應(yīng)用于有高可靠性要求而不太計較價格因素的高性能的電子領(lǐng)域中。與此相反，SIP是針對某個系統(tǒng)進行功能劃分，選擇優(yōu)化的IC芯片及元件來實現(xiàn)這些功能，采用成熟的高密度互連技術(shù)與單芯片封裝相同或相似的設(shè)備、材料、工藝技術(shù)制作生產(chǎn)，在封裝中構(gòu)成系統(tǒng)級集成，提高性能的同時降低成本，以其很高的性價比應(yīng)用于中端市場。SIP的很多優(yōu)勢特性逐漸顯

40、露出來，所提出的最終目標是要研發(fā)獲得能夠靈活地將無源和有源元器件完全封裝集成到一起構(gòu)成系統(tǒng)的新技術(shù)。7.3 SIP產(chǎn)品架構(gòu)SIP以滿足手機等便攜式電子整機產(chǎn)品的體積不斷減小，功能日趨復(fù)雜的要求為發(fā)展契機，市場上已出現(xiàn)多種SIP產(chǎn)品架構(gòu)，首次應(yīng)用是將一個2Mb的SRAM和一個16Mb的閃存芯片疊加在一個封裝中，實現(xiàn)EEPROM功能，用于手機。此后，很多頂級半導(dǎo)體廠商推出SIP疊層式存儲器，可使小空間更快地存儲更多數(shù)據(jù)，支持手機添加數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、數(shù)相機、娛樂、超小型PC等多種功能。Intel最先進的SIP技術(shù)可以讓五層堆疊的閃存芯片達到1.0mm薄的超薄封裝，已推出的5種產(chǎn)品具有X 16和X 32總線

41、寬度以及SRAM、PSRAM、LP-SDRAM功能，存儲容量可達1Gb，芯片采用多極單元MLC技術(shù)與013m工藝制造。開發(fā)出六片芯片SIP，其上部為四個芯片，底部是兩個芯片，尺寸大小為15111.4mm，進一步支持手機的存儲容量越來越大的需要。在單塊存儲卡上SIP集成多個閃存芯片，將使手持設(shè)備能夠存儲數(shù)十分鐘長度的DVD視頻，成千上萬的高分辨率圖像，超過30小時的數(shù)字音樂，或者數(shù)千兆的數(shù)據(jù)文件等信息，現(xiàn)在閃存芯片發(fā)展到009m工藝，007m和005m的新一代工藝技術(shù)也已開始研發(fā)，有什么樣的芯片，就需要相適應(yīng)的封裝，從過去的單一封裝殼體演變成與被封裝體不可分割的一部分，封裝已涉及到被封裝體內(nèi)，I

42、C生產(chǎn)流程的集中整合和繼續(xù)垂直細分的趨勢同時存在，兩種截然相反的發(fā)展最終取決于生產(chǎn)體系的成本最小化因素。從早期的將兩個、三個或更多存儲芯片疊裝在同一殼體內(nèi)，滿足高速數(shù)據(jù)速率的存儲帶寬的需求外，擴展到把不同種類芯片疊裝到一個殼內(nèi)，開發(fā)包括數(shù)字信號處理器DSP+SRAM+閃存，專用集成電路ASIC+存儲器，數(shù)字+模擬十射頻，微控制器+存儲器等其它的SIP應(yīng)用?，F(xiàn)代電子系統(tǒng)大都需要完成兩種類型的運算，因而需要采用雙處理器的CPU+DSP解決方案，DSP用于完成語音、圖像、視頻、音頻信號的重復(fù)性復(fù)雜性運算的實時處理，CPU則用于完成電源管理，人機界面協(xié)議棧操作，易于實現(xiàn)靈活控制，兩者各有短長，有融合的

43、趨勢，兩個核封裝在一起，或?qū)SP的內(nèi)核移植到單片PCU中的SOC集成。SIP智能功率器件將系統(tǒng)的控制部分和功率場效應(yīng)MOS晶體管及驅(qū)動、保護、輔助電路等，融合于緊湊、性能強勁的絕緣式封裝內(nèi)。在161606mm的SOT553563單封裝內(nèi)集成多個瞬變電壓抑制元件，形成微型封裝集成瞬態(tài)電壓保護器件，減少占用電路板空間達36，降低厚度40。對SIP產(chǎn)品架構(gòu)方式的研發(fā)集中在片對片、片疊片、封裝在超薄型外殼內(nèi)再垂直疊放、襯底直焊等方面，芯片之間多數(shù)采用周邊互連，某些是用陣列式互連，也有采用直接式；間接式兩大類的互連，或晶圓級超級減薄露出內(nèi)連柱及鍵合形成的互連，作為有系統(tǒng)功能的整體IC應(yīng)用，但又不是一個

44、單一的芯片。SIP最張揚的架構(gòu)是可以在封裝內(nèi)封裝集成無源元件，首先將無源元件小型化及集成化后，再封裝在統(tǒng)一的封裝結(jié)構(gòu)中，有一種簡化結(jié)構(gòu)：基板20mm2，厚2mm，中心挖凹槽，以便鑲嵌一個約10mm見方、03mm薄的IC芯片(開凹槽可以降低總體厚度，降低厚度對于整機產(chǎn)品設(shè)計是非常關(guān)鍵的要求)，芯片上方與基板平齊，下方與基板之間充填10m厚的環(huán)氧樹脂作膠接劑；芯片上方排列著100個直徑為67m的接點，其間充填聚酰亞胺；接點上方制成各種電容、電阻及銅導(dǎo)體，它們之間以環(huán)氧樹脂絕緣。封裝內(nèi)無源元件的集成化有LTCC和低溫共燒鐵氧體LTCF等技術(shù)，分別形成集成電容器、電阻器、電感器、平面變壓器、EMI濾波

45、器和EMI磁珠陣列等無源元件的陶瓷基板、磁性基板，盡可能多地將各種無源元件集成在一個單獨的封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)，與在多層印制電路板中埋置無源元件、無源元件制作在硅芯片上同步發(fā)展。Philips的BGBl02體現(xiàn)了全新的SIP，在一個傳統(tǒng)的超小型66mmHVQFN封裝中結(jié)合了有源和無源元器件，綜合了所有的射頻組件，如收發(fā)器、平衡不平衡變換器、切換和天線濾波器等，極大地簡化了藍牙應(yīng)用的開發(fā)和生產(chǎn)。有一種24GHz的SIP產(chǎn)品，將射頻、8051MCU、9通道12位。ADC、外圍元件、電感和濾波器全部集合在尺寸66mm的QFN封裝中。還開發(fā)出存儲器與基帶IC的集合架構(gòu)，在一個封裝中集成了ASIC、CPU、同步D

46、RAM、閃存各一片。7.4 SIP的相關(guān)技術(shù)SIP是IC產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展中的知識、技術(shù)、方法相互滲透交融，綜合應(yīng)用的結(jié)果，最大限度地靈活利用各種不同芯片資源和封裝互連優(yōu)勢，盡可能地提高性能，降低成本，在做深做透的研發(fā)過程中涉及到多種技術(shù)問題，相關(guān)技術(shù)包括熱設(shè)計，IO口的重分布，減薄大規(guī)模IC芯片的背面厚度，若干芯片的層疊組裝和高密集互連技術(shù)等。在封裝設(shè)計中，熱設(shè)計是重要環(huán)節(jié)之一，熱失效已成為封裝失效的主要因素，占50以上。對于SIP而言，系統(tǒng)的熱耗散問題也是至關(guān)緊要的，能否迅速散熱制約著設(shè)計的成敗，在設(shè)計SIP時，必須事先仿真由系統(tǒng)功耗引起的溫度分布狀況和熱傳遞過程，以數(shù)值模擬為手段，預(yù)測器件的傳熱特性，分析其對系統(tǒng)各方面的影響，并研究相應(yīng)的散熱處理方法，例如，采用導(dǎo)熱性能好的材料，或減少基板厚度，不使芯片產(chǎn)生熱失效所允許的輸人功率耗散密度。SIP的片間總線性能已成為提高系統(tǒng)內(nèi)部總線帶寬的關(guān)鍵，SIP內(nèi)部芯片間采用的是非復(fù)用總線，使輸入和輸出路徑分開，有豐富的連線資源，靠得很近的芯片減少了片間總線長度及電容，擴展片間連線的信號位數(shù)，提高工作頻率。同時在片間也可以采用現(xiàn)有成熟的系統(tǒng)總線標準作為折衷