SiP系統(tǒng)集成封裝技術(shù)

1、SiP：系統(tǒng)集成封裝技術(shù)竇新玉清華大學(xué)電子封裝技術(shù)研究中心SiP（System in Package）是近幾年來(lái)為適應(yīng)模塊化地開(kāi)發(fā)系統(tǒng)硬件的需求而出現(xiàn)的封裝技術(shù)，在已經(jīng)開(kāi)始的新一輪封裝技術(shù)發(fā)展階段中將發(fā)揮重要作用。SiP利用已有的電子封裝和組裝工藝，組合多種集成電路芯片與無(wú)源器件，封閉模塊內(nèi)部細(xì)節(jié)，降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)難度，具有成本低、開(kāi)發(fā)周期短、系統(tǒng)性能優(yōu)良等特點(diǎn)，目前已經(jīng)在通信系統(tǒng)的物理層硬件中得到廣泛應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的進(jìn)步，集成電路芯片引出端（I/O）數(shù)與芯片面積的比值將持續(xù)上升，現(xiàn)有的二維I/O結(jié)構(gòu)在未來(lái)五年里面臨著新的挑戰(zhàn)，SiP在不改變二維封裝結(jié)構(gòu)的前提下作為一個(gè)解決方案，有明顯的

2、技術(shù)優(yōu)勢(shì)和市場(chǎng)潛力。SiP技術(shù)的普及能夠改變目前封裝產(chǎn)業(yè)以代工為主的狀況，為封裝企業(yè)擁有自主產(chǎn)品在技術(shù)上創(chuàng)造了可能性，封裝產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值在整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的比重會(huì)隨之增加。1 集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與需求催生SiP技術(shù)從第一支晶體管的誕生，到第一顆集成運(yùn)算放大器的出現(xiàn)，一直到今天，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展可以概括為一個(gè)集成化的過(guò)程。多年來(lái)，集成化主要表現(xiàn)在器件內(nèi)晶體管的數(shù)量，這個(gè)指標(biāo)在單一功能的器件中目前仍占統(tǒng)治地位，比如存儲(chǔ)器。現(xiàn)代系統(tǒng)集成技術(shù)中一個(gè)更重要的指標(biāo)是系統(tǒng)功能的完整化，這樣就牽扯到不同IC技術(shù)與電路單元的集成。單一功能的器件比比皆是，但單一功能的電子系統(tǒng)少見(jiàn)。由于網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)的普及，純數(shù)字系統(tǒng)

3、（所謂的計(jì)算機(jī)）幾乎已經(jīng)不存在，物理層硬件是多數(shù)系統(tǒng)中必要的組成部分。最基本的數(shù)字系統(tǒng)也至少包含邏輯電路和存儲(chǔ)器，兩者雖都是數(shù)字電路，但半導(dǎo)體制造工藝的細(xì)化與優(yōu)化也已使得這兩種最基本電路單元的集成不是一件簡(jiǎn)單的工作。移動(dòng)通信技術(shù)的普及使得電子整機(jī)系統(tǒng)向著高性能、多功能和小型化方向發(fā)展。這種需求推動(dòng)了電子封裝技術(shù)的近十年來(lái)的飛速發(fā)展，BGA和CSP等先進(jìn)封裝型式因?yàn)槟軌驖M足多I/O、小型化的技術(shù)得到普遍應(yīng)用。縱觀微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的歷史，封裝技術(shù)在滿足市場(chǎng)需求方面經(jīng)常是被動(dòng)地發(fā)揮作用；末端電子產(chǎn)品提出集成的要求，前端半導(dǎo)體設(shè)計(jì)與制造提出解決方案，封裝在兩者的約束下做物理實(shí)現(xiàn)。這種情況將在未來(lái)幾年會(huì)發(fā)

4、生變化，目前這種變化已經(jīng)初步顯示出來(lái)了。造成這種局面的原因是電子系統(tǒng)復(fù)雜度的不斷提高，封裝也要參與系統(tǒng)集成的過(guò)程。一個(gè)先進(jìn)的電子整機(jī)系統(tǒng)是由許多不同技術(shù)和功能的器件和電路、不同的材料等集成實(shí)現(xiàn)的，能夠完成信號(hào)的發(fā)射、接收、存儲(chǔ)、處理、再現(xiàn)（圖像的顯示和聲音的播放等）等多項(xiàng)功能。以移動(dòng)手機(jī)為例，它的功能包括遠(yuǎn)程無(wú)線通信（GSM和WCDMA）、近程無(wú)線接入（IrDA，Bluetooth或WLAN）、有線連接（USB）、支持操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序運(yùn)行的CPU，平板顯示及背光LED、音頻系統(tǒng)、及支持這些硬件的電源管理系統(tǒng)等。所有這些功能的內(nèi)部細(xì)節(jié)的以及它們的組合多少年來(lái)一直是末端產(chǎn)品制造商的任務(wù)，使得產(chǎn)品

5、開(kāi)發(fā)的費(fèi)用越來(lái)越高、周期越來(lái)越長(zhǎng)，這樣發(fā)展下去，終究會(huì)有一天發(fā)生量變到質(zhì)變的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)從“難”過(guò)渡到“不可能”。軟件工程已經(jīng)解決了這個(gè)問(wèn)題：OOP的概念使得每個(gè)層次的問(wèn)題在規(guī)模上都大體相同，系統(tǒng)集成的工作與模塊開(kāi)發(fā)的工作比重相同。硬件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)也必須走這條路。這就要求整個(gè)產(chǎn)業(yè)過(guò)程均攤系統(tǒng)集成的任務(wù)，即芯片設(shè)計(jì)和封裝要承擔(dān)一部分系統(tǒng)集成的工作。這一需求將決定未來(lái)幾年芯片設(shè)計(jì)與封裝技術(shù)的發(fā)展方向，作為設(shè)計(jì)過(guò)程中的集成技術(shù)SoC（System On Chip）和作為封裝過(guò)程中的集成技術(shù)SiP（System-in-Package）將逐漸成為產(chǎn)業(yè)中主流技術(shù)。大量和普遍使用SoC和SiP技術(shù)將實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品

6、開(kāi)發(fā)過(guò)程的模塊化，進(jìn)而縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、降低成本。SoC的思想是在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路、模擬電路、RF、存儲(chǔ)器的集成；SiP的思想則是采用混合集成，將多種類型的元件，如Si-CMOS、GaAs-RF、各種無(wú)源器件等組合為一個(gè)緊湊的具有獨(dú)立功能的模塊。兩者的目的一致，但方法不同。SoC代表了設(shè)計(jì)的最高階段，實(shí)現(xiàn)了性能最優(yōu)、功耗最低、體積和重量最小，但其設(shè)計(jì)復(fù)雜、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、開(kāi)發(fā)成本較高，而且目前基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的芯片在很多方面（比如：射頻、光電、高電壓）的性能指標(biāo)還不能滿足要求。相比之下，SiP設(shè)計(jì)靈活、快捷，利用現(xiàn)有的比較成熟的元器件，設(shè)計(jì)周期短，工藝成熟。SiP與其說(shuō)是一種封裝技術(shù)，不

7、如說(shuō)是一種集成思想，它利用現(xiàn)有的封裝工藝將系統(tǒng)需要的元件進(jìn)行組合，以最低的成本、最快的時(shí)間、達(dá)到最優(yōu)的系統(tǒng)性能。半導(dǎo)體制造技術(shù)遵循著摩爾定律不斷發(fā)展，器件的I/O數(shù)量隨之不斷增加，其封裝技術(shù)也相應(yīng)地走過(guò)了一個(gè)從一維周邊結(jié)構(gòu)（QFP）到二維平面陣列（BGA）的過(guò)程。沒(méi)有這種封裝技術(shù)的進(jìn)步，先進(jìn)的半導(dǎo)體制造技術(shù)就不能體現(xiàn)出來(lái)，集成電路的體積就不能隨著芯片集成度的增加而減小，相反，I/O數(shù)量的增加會(huì)導(dǎo)致器件的體積增大。現(xiàn)今的平面封裝技術(shù)面向器件與印刷電路板間的組裝，主要是為了解決集成電路與布線板間線寬的不匹配，這種技術(shù)在未來(lái)五年內(nèi)將隨集成電路制造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展而面臨巨大的挑戰(zhàn)。解決這種問(wèn)題的一個(gè)辦

8、法是使用高密度基板，但目前在電子產(chǎn)品中整體使用高密度基板還有著成本問(wèn)題，所以較為普遍的方法是只在器件封裝的過(guò)程中使用高密度基板。另一種解決方案是減少器件的I/O總數(shù)，其途徑是以封裝工藝進(jìn)行系統(tǒng)集成，減少外圍器件，將系統(tǒng)內(nèi)部的I/O封閉在系統(tǒng)之內(nèi)，從而降低器件與組裝板間的IO總量。在未來(lái)的幾年里，這兩種方式互相補(bǔ)償，都將成為封裝技術(shù)研究的主攻方向。2 SiP的關(guān)鍵技術(shù)與工藝SiP主要采用現(xiàn)有的封裝和組裝工藝，它區(qū)別于傳統(tǒng)封裝技術(shù)的地方在于與系統(tǒng)集成有關(guān)的兩個(gè)方面：系統(tǒng)模塊的劃分和設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組合的載體。傳統(tǒng)封裝中的載體，即基板，只是起到互連的作用，而SiP的載體包含電路單元，是系統(tǒng)的組成部分。

9、2.1 系統(tǒng)模塊的劃分與設(shè)計(jì)模塊的劃分是指從系統(tǒng)中分離出一塊功能，既便于后續(xù)的系統(tǒng)整體集成又便于SiP封裝。以Bluetooth模塊為例，其核心是一塊基帶處理器，一端是與系統(tǒng)CPU的接口，另一端是與物理層硬件的接口（調(diào)制解調(diào)、發(fā)送與接收放大、天線等）。從系統(tǒng)集成的需求來(lái)考慮，希望基帶處理器和物理層硬件都能通過(guò)封裝實(shí)現(xiàn)在一個(gè)器件內(nèi)。而從封裝的角度來(lái)考慮，將天線包括在器件之內(nèi)會(huì)使得器件的體積過(guò)大，相對(duì)而言，天線在系統(tǒng)電路板上實(shí)現(xiàn)更現(xiàn)實(shí)。如果要集成的是一個(gè)音頻系統(tǒng)，某些高值電容更適合于作為模塊的外圍器件。模塊劃分完成后就進(jìn)入了電路細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)階段。由于SiP集成涉及到較為復(fù)雜的系統(tǒng)，包括模塊內(nèi)部的細(xì)節(jié)

10、、模塊與外部的關(guān)系、信號(hào)的質(zhì)量、延遲、分布、噪聲等，電路與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平成了標(biāo)志是否具有SiP開(kāi)發(fā)能力的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。模擬電路或混合電路是SiP最有優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用，而這類電路的設(shè)計(jì)與一般的數(shù)字電路相比要求開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)有足夠的技能與經(jīng)驗(yàn)。設(shè)計(jì)中要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題之一是載體上元器件的布局和連線，這與印刷電路板上的系統(tǒng)設(shè)計(jì)相似，需要綜合考慮基板上各芯片及元件在高頻下信號(hào)之間的串?dāng)_、噪聲、電通路的輻射等問(wèn)題。關(guān)鍵問(wèn)題之二是載體內(nèi)無(wú)源器件的設(shè)計(jì)，需要綜合考慮無(wú)制作源器件工藝的限制（精度）、品質(zhì)參數(shù)（Q）、共振頻率等。隨著模塊復(fù)雜度的增加和工作頻率（時(shí)鐘頻率或載波頻率）的提高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度會(huì)不斷增加，導(dǎo)致產(chǎn)品開(kāi)發(fā)

11、的多次反復(fù)和費(fèi)用的上升。除使用設(shè)計(jì)軟件外，系統(tǒng)性能的數(shù)值模擬也要參與設(shè)計(jì)過(guò)程，比如高頻的電磁場(chǎng)模擬、傳熱的模擬、可靠性等。2.2SiP載體1：高性能多層基板SiP封裝使用的第一類基板材料是目前在BGA封裝中已經(jīng)普遍使用的有機(jī)多層基板，從技術(shù)的成熟度和成本方面這類材料有一定優(yōu)勢(shì)。但是由于精度問(wèn)題，無(wú)源器件的集成有一定的困難，未來(lái)的發(fā)展有局限性。但SiP技術(shù)目前尚屬早期階段，實(shí)現(xiàn)SiP的整體要求不高，以原始技術(shù)實(shí)現(xiàn)的模塊就已顯出優(yōu)勢(shì)，一定程度上滿足了市場(chǎng)需求。這類產(chǎn)品中多數(shù)使用的無(wú)源器件仍是SMT分立器件，有機(jī)基板的應(yīng)用在某種程度上占主流地位。隨著技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)鏈的形成，有機(jī)材料的基板除非在工藝

12、精度上有突破，其市場(chǎng)份額會(huì)逐漸減少。另一類受到較多關(guān)注的并且具有一定實(shí)用前景的是LTCC。LTCC 最早由杜邦公司研制開(kāi)發(fā)，它與傳統(tǒng)的HTCC（高溫共燒陶瓷）材料的主要區(qū)別在于HTCC的玻璃含量少，通常在8 %15 %之間，其燒結(jié)溫度為1,200 1,600 ，布線導(dǎo)體只有耐高溫的W 和Mo 才能適應(yīng)；而LTCC的玻璃含量則超過(guò)50，其燒結(jié)溫度較低，在850950 ，布線導(dǎo)體可以使用導(dǎo)電、導(dǎo)熱及電阻率低的Au、Ag、Cu、Pd - Ag 等金屬漿料。這就給工藝設(shè)計(jì)和制作等帶來(lái)方便，并可集成無(wú)源元件(R、C、L) 。而且玻璃成分的增加，降低了材料的介電常數(shù)，減少了電通路上的功率損耗，具有優(yōu)良的高

13、頻性能，使其成為許多高頻應(yīng)用領(lǐng)域的理想材料。與有機(jī)基板一樣，在LTCC上制作無(wú)源器件的工藝精度仍是個(gè)問(wèn)題。2.3 SiP載體2：薄膜互連工藝該項(xiàng)技術(shù)同WLP中的再分布工藝非常類似，就是在加工好的基板上相間沉積介電層和導(dǎo)線層，完成布線與互連，并利用金屬層的圖形以及沉積其他材料形成無(wú)源器件(R、C、L)，在封裝載體內(nèi)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，外部通過(guò)倒裝焊與其他元件連接起來(lái)，形成一個(gè)完整的系統(tǒng)1。該項(xiàng)技術(shù)也被稱為MCM-D技術(shù)，主要對(duì)基板上的沉積層的設(shè)計(jì)和材料有特殊的要求。利用薄膜互連技術(shù)可以同現(xiàn)有的微電子制造技術(shù)兼容，工藝精度高，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)便，無(wú)源器件的品質(zhì)系數(shù)高，襯底材料也不限于硅圓片；同時(shí)省去了陶瓷

14、加工昂貴的開(kāi)模費(fèi)用，有效地降低了生產(chǎn)成本。無(wú)源器件的高精度來(lái)自于薄膜互連工藝中的光刻技術(shù)和受溫度影響不大的襯底材料（硅、玻璃等）。2.4 模塊組裝技術(shù)在模塊組裝方面，COB和COC技術(shù)是目前的主流。COB（Chip on Board）是針對(duì)器件與有機(jī)基板或陶瓷基板間的互連技術(shù)?，F(xiàn)有的技術(shù)包括引線鍵合（Wire Bonding）和倒裝芯片（Flip Chip）。引線鍵合技術(shù)簡(jiǎn)單成熟，但占用芯片周邊的面積，封裝效率相對(duì)較低。倒裝芯片效率高，采用下填料（Underfill）固化后可靠性也沒(méi)有問(wèn)題，但需要專用設(shè)備（Flip Chip Bonder）。COC最初是為了集成邏輯電路與存儲(chǔ)器而開(kāi)發(fā)的多芯片封

15、裝（MCP）技術(shù)，可以直接用于芯片與完成薄膜互連工藝后的硅襯底間的互連。下圖是一個(gè)典型的COC工藝過(guò)程和組裝后的結(jié)構(gòu)2。 圖1. COC工藝流程和組裝后的結(jié)構(gòu)3  SiP技術(shù)的應(yīng)用      SiP技術(shù)可以應(yīng)用到信息產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，但目前研究和應(yīng)用比較普遍是在無(wú)線通信中的物理層電路，主要是由于商用射頻芯片還很難用硅工藝實(shí)現(xiàn)，使得SoC技術(shù)能實(shí)現(xiàn)的集成度相對(duì)較低，性能難以滿足要求。同時(shí)由于物理層電路工作頻率高，各種匹配與濾波網(wǎng)絡(luò)非常重要，使得電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、含有大量無(wú)源器件，可以充分顯示SiP的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。目前SiP技術(shù)尚屬初級(jí)階

16、段，雖有大量產(chǎn)品采用了SiP技術(shù)，其封裝的技術(shù)含量不高，系統(tǒng)的構(gòu)成與PCB上組裝系統(tǒng)相似，無(wú)非是采用了未經(jīng)封裝的芯片通過(guò)COB技術(shù)與無(wú)源器件組合在一起，系統(tǒng)內(nèi)的多數(shù)無(wú)源器件并沒(méi)有集成到基板內(nèi)，而是采用SMT分立器件。以下給出幾個(gè)已經(jīng)商業(yè)化的SiP產(chǎn)品。最早出現(xiàn)的模塊電路是手機(jī)中的功率放大器，這類模塊中可集成多頻功放、功率控制、及收發(fā)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等功能。圖2是一款手機(jī)中使用的功放模塊。圖2 手機(jī)種的功放模塊    手機(jī)中功放電路指標(biāo)要求高，目前的集成技術(shù)基本上處于這個(gè)水平，中頻電路、基帶處理器，甚至VCO還多是獨(dú)立的器件。集成度較高的是Bluetooth和802.11（

17、b，g，a）。圖3是Philips的BGB202 Bluetooth SiP模塊3。這款模塊除了天線之外，包含了基帶處理器和所有的物理層電路，其中一部分濾波電路就是用薄膜工藝實(shí)現(xiàn)的（但不是在SiP的載體中，而是以一個(gè)分立的無(wú)源芯片形式出現(xiàn)的）。整個(gè)模塊的外圍尺寸是7mm x 8mm。         圖3. Philips的BGB202 Bluetooth SiP模塊Philips還有一款面向3G通信的手機(jī)電視解決方案4圖4：Philips的手機(jī)電視解決方案，其中前端的硬件是一個(gè)SiP模塊。4 SiP：新的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

18、與發(fā)展良機(jī)SiP的設(shè)計(jì)思想將改變封裝僅僅是管芯制造后道工序的局面，使封裝的設(shè)計(jì)也成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分。與在印刷電路板上進(jìn)行系統(tǒng)集成比，封裝集成能最大程度上優(yōu)化系統(tǒng)性能、避免重復(fù)封裝、縮短開(kāi)發(fā)周期、降低成本、提高集成度。同時(shí)，對(duì)比系統(tǒng)芯片（SoC），SiP具有靈活度高、集成度高、性能優(yōu)良、設(shè)計(jì)周期短、開(kāi)發(fā)成本低、容易進(jìn)入等特點(diǎn)。掌握這項(xiàng)剛剛興起的新技術(shù)是我們進(jìn)入主流封裝領(lǐng)域的關(guān)鍵。SiP在未來(lái)幾年里還將打破目前集成電路內(nèi)部的產(chǎn)業(yè)格局，改變封裝僅僅是一個(gè)加工廠的狀況（芯片設(shè)計(jì)公司為客戶，封裝廠沒(méi)有自己的品牌、不面對(duì)最終用戶，高額利潤(rùn)被芯片設(shè)計(jì)公司掌握）。未來(lái)的集成電路產(chǎn)業(yè)中會(huì)出現(xiàn)一批結(jié)合設(shè)計(jì)能力與封裝工藝的實(shí)體，掌握有自己品牌的產(chǎn)品和利潤(rùn)，而芯片制造商變成了他們的供應(yīng)商。目前全世界封裝的產(chǎn)值只占集成電路總值的10%左右，當(dāng)SiP技術(shù)被封裝企業(yè)掌握后，產(chǎn)業(yè)格局就要開(kāi)始調(diào)整，封裝業(yè)將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)跳躍式的發(fā)展，這是我國(guó)發(fā)展有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的封裝產(chǎn)業(yè)的良好時(shí)機(jī)。1.Wim Diels, Kristof Vaesen, Piet Wambacq, Stéphane Donnay, Wa