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1、- 5 -第 9 卷第 2 期封 装 、 组 装 与 测 试收稿日期： 2008-12-10第 9 卷， 第 2 期 Vol. 9，No. 2电子与封装 ELECTRONICS hybrid integrated; development prospects1 概述电子工程的发展方向，是由一个组件（如IC）的开发，进入到集成多个组件（如多个IC组合成系统）的阶段，再随着产品效能与轻薄短小的需求带动下，迈向整合的阶段。在此发展方向的引导下，便形成了现今电子产业上相关的两大主流：系统级芯片（S y s t e m o n C h i p ，S O C ）与系统级封装（System in a Pac
2、kage， SIP） 。 在IC芯片领域， SOC是最高级的芯片；在IC 封装领域，SIP 是最高级的封装。SIP 涵盖SOC，SOC简化SIP。由发展的经历来看，SOC 与SIP 是极为相似的, 两者均希望将一个包含逻辑组件、内存组件，甚至包含被动组件的系统，整合在一个单位中。然而就发展的方向来说，两者却是大大的不同：SOC 是站在设计的角度出发，目的在于将一个系统所需的组件整合到一块芯片上；而SIP则是由封装的立场出发，将不同功能的芯片整合于一个电子构造体中。在未来电子产品在体积、处理速度或电性特性各方面的需求下，SOC 的确是未来电子产品设计的关键与发展方向。但它发展至今，除了面临诸如技
3、- 6 -电子与封装第 9 卷第 2 期术瓶颈高，CMOS、DRAM、GaAs、SiGe等不同工艺过程整合不易，生产率低等技术挑战尚待克服外，现阶段SOC 生产成本高以及其所需研发时间过长等因素，都造成SOC 的发展面临瓶颈，也使得SIP 的发展方向再次受到广泛的讨论与看好。SIP 封装并无一定形态，就芯片的排列方式而言，SIP 可为多芯片模块（Multi-chip Module，MCM）的平面式2D封装，也可利用3D 封装的结构以有效缩减封装面积；而其内 部 集 成 技 术 可 以 是 单 纯 的 引 线 键 合（Wire Bonding） ， 也可使用倒装焊 （Flip Chip） ， 或
4、二者混用（如图1 所示） 。 图1 SIP封装架构图图2 多功能基板板内集成系统架构图除了2D 与 3D 的封装结构外，另一种以多功能性基板整合组件的方式，也可纳入 SIP 的涵盖范围。图2 说明了由三洋电机所发展的ISB板内集成系统的概念，此技术主要是将不同组件内藏于多功能基板中，亦可视为是SIP 的概念，达到功能集成的目的。不同的芯片排列方式与不同的内部集成技术搭配，使SIP 的封装形态产生多样化的组合，并可依照客户或产品的需求加以客制化或弹性生产。 SIP封装可将其他无源元件以及天线等所需的组件集成在一个结构中，使其更具完整的系统功能。由应用产品的观点来看，SIP更适用于低成本、小面积、
5、高频高速以及生产周期短的电子产品上，尤其如功率放大器（PA） 、全球定位系统（GPS） 、蓝牙模块（Bluetooth） 、影像感测模块、记忆卡等可携式产品市场。以长远的发展规划而言，SOC的发展将能有效改善未来电子产品的效能要求，而其所适用之封装形态，也将以能提供更好效能的覆晶技术为发展主轴；相较于SOC的发展，SIP则更适用于成本敏感性高的通讯及消费性产品市场。2 关于SIP的内涵概念封装就是将具有一定功能的芯片置入密封在与其相适应的一个外壳壳体中，形成一个完善的整体，为芯片提供保护，并保障信号和功率的输入与输出；同时，将芯片工作时产生的热量散发到外部环境，确保器件能在所要求的外界环境及工
6、作条件下稳定可靠地运行。尽管封装形式千差万别，且不断发展，但其生产过程大致可分为晶圆切片、芯片贴放装架、内引线键合 （电气互连） 、 密封等几十道工艺。 总之， SIP技术的研发者和评价者大致有以下多种对SIP 内涵概念的表述：SIP是基于SOC的一种新型封装技术，将一个或多个裸芯片及可能的无源元件构成的高性能模块装载在一个封装外壳内， 包括将这些芯片层叠在一起，且具备一个系统的功能。SIP 将多个 IC 和无源元件封装在高性能基板上，可方便地兼容不同制造技术的芯片，从而使封装由单芯片级进入系统级集成。SIP是在基板上挖凹槽，将芯片镶嵌其中，可降低封装体厚度，电阻、电容、电感等生成于基板上方，
7、最后用高分子材料包封。常用的基板材料为FR-4、LCP（Liquid CRYSTAL Polymer） 、低温共烧多层陶瓷LTCC、Qsprey Metal Al/SiC颗粒增强金属基复合材料等。SIP在一个封装体中密封多个芯片，通常采用物理的方法将两个或多个芯片层叠起来，或在同一封装衬底上将叠层一个个连接起来，使其具有新功能。SIP可实现系统集成，将多个IC以及所需的分立器件和无源元件集成在一个封装体内，包括多个堆叠在一起的芯片，或将多个芯片堆叠整合在同一衬底上形成标准化产品，可以像普通的器件一样在电路板上进行组装。SIP 为一个封装内集成了各种完成系统功能的电路芯片，是缩小芯片线宽之外的另
8、一种提高集成度的方法，而与之相比可大大降低成本和节省时间。SIP实际上是多芯片封装（MCP）或芯片尺寸封装（CSP） 的演进， 可称其为层叠式MCP、 堆叠式CSP，特别是CSP 因其生产成本低，将成为最优的集成无源元件技术，但SIP 强调的是该封装内要包含某种系统的功能。S I P 也就是多芯片堆叠的 3 D 封装内系统（System-in-3D Package）的集成，在垂直芯片表面的- 7 -第 9 卷第 2 期方向上堆叠，互连两块以上裸芯片的封装，其空间占用小，电性能稳定，向系统整合封装发展。SIP 将混合集成的无源元件封装于四面引线扁平封装（QFP）或薄微型封装（TSOP）的封装体中
9、，可有效地减少印刷电路板的尺寸，提高组装密度。SIP可嵌装不同工艺制作的IC芯片以及内嵌无源元件，甚至光器件和微机械电子系统（MEMS） ，提供紧凑而性能优异的功能产品给用户。SIP 通过各功能芯片的裸管芯及分立元器件在同一衬底的集成，实现整个系统功能，是一种可实现系统级芯片集成的半导体技术。SIP 是指将多芯片及无源元件（或无源集成元件）形成的系统功能集中于一个单一封装体内，构成一个类似的系统器件。当SOC的特征尺寸更小以后，将模拟、射频和数字功能整合到一起的难度随之增大，有一种可选择的解决方案是将多个不同的裸芯片封装成一体，从而产生了系统级封装（SIP） 。以上表述多方面明确了SIP的内涵
10、概念，基于系统化设计思想的SIP方案是富有创意的，所涉及到芯片、系统、材料、封装等诸多层面问题，涵盖十分广泛，是一个较宽泛的指称，将会随其技术的发展而扩充完善。3 SIP的优势特性SIP 技术已有若干重要突破，架构上将芯片平面置放改为堆叠式封装，使密度增加，性能大大提高，代表着封装技术的发展趋势，在多方面存在极大的优势特性，现大体归纳如下：（1）SIP采用一个封装体来完成一个系统目标产品的全部互连以及功能和性能参数，可同时利用引线键合与倒装焊互连以及别的IC 芯片直接内连技术；（2）封装面积比增大，SIP在同一封装体中叠加两个或更多的芯片，把Z 方向的空间也利用起来，同时又不必增加封装引脚，两
11、芯片叠装在同一壳内的封装与芯片面积比增加到170， 三芯片叠装可增至250；（3）在物理尺寸上必定是小的，例如，SIP封装体的厚度不断减少，最先进的技术可实现五层堆叠芯片只有 1.0mm 厚的超薄封装，三叠层芯片封装的重量减轻35；（4）SIP可实现不同工艺、材料制作的芯片封装形成一个系统，有很好的兼容性，并可实现嵌入集成化无源元件的梦幻组合，无线电和便携式电子整机中现用的无源元件至少可被嵌入30%50，甚至可将Si、GaAs、InP 的芯片组合一体化封装；（5）SIP 可提供低功耗和低噪声的系统级连接，在较高的频率下工作可以获得几乎与SOC 相等的总线带宽；（6）元件集成封装在统一的外壳结构
12、中，可使总的焊点大为减少，也缩短了元件的连线路程，从而使电性能得以提高；（7）缩短产品研制和投放市场的周期，SIP在对系统进行功能分析和划分后，可充分利用商品化生产的芯片资源，经过合理的电路互连结构及封装设计，易于修改、生产，力求以最佳方式和最低成本达到系统的设计性能，无需像SOC 那样进行版图级布局布线，从而减少了设计、验证、调试的复杂性与系统实现量产的时间，可比SOC 节省更多的系统设计和生产费用，投放市场的时间至少可减少1/4；（8）采取多项技术措施，确保SIP具有良好的抗机械和化学腐蚀的能力以及高可靠性。毫无疑问，SIP与SOC、多芯片组件（MCM）等有很多惊人的相似之处，分别提供实现
13、不同级别电子系统的变通方法，尽管存在区别但并不是相互对立的技术，而是相辅相成适应市场的需求。SOC面临多项制约，如研发成本高、设计周期长、验证及生产工艺复杂等，在某些情况下是最佳选择，但绝不是所有系统级集成的唯一选择，多用于相对高端的市场，MCM 将两个以上裸芯片和片式元器件组装在一块高密度多层互连基板上，然后封装在外壳内构成高密度功能电子组件、部件、子系统或系统，多采用混合集成技术，主要应用于有高可靠性要求且不太计较价格因素的高性能电子领域中。与此相反，SIP 是针对某个系统进行功能划分，选择优化的IC 芯片及元件来实现这些功能，采用成熟的高密度互连技术与单芯片封装相同或相似的设备、材料、工
14、艺技术制作生产，在封装中构成系统级集成，提高性能的同时降低成本，以其很高的性价比应用于中端市场。SIP 的很多优势特性逐渐显露出来，所提出的最终目标是要研发获得能够灵活地将无源和有源元器件完全封装集成到一起构成系统的新技术。4 SIP的关键技术与工艺SIP 主要采用现有的封装和组装工艺，它区别于李振亚，赵 钰：S I P 封装技术现状与发展前景- 8 -电子与封装第 9 卷第 2 期传统封装技术的地方在于与系统集成有关的两个方面：系统模块的划分和设计及实现系统组合的载体。传统封装中的载体，即基板，只是起到互连的作用，而 SIP 的载体包含电路单元，是系统的组成部分。4.1 系统模块的划分与设计
15、模块的划分是指从系统中分离出一块功能，既便于后续的系统整体集成又便于 S I P 封装。以Bluetooth 模块为例，其核心是一块基带处理器，一端是与系统CPU 的接口，另一端是与物理层硬件的接口（调制解调器、发送与接收放大器、天线等） 。从系统集成的需求来考虑，希望基带处理器和物理层硬件都能集成在一个封装体内。而从封装的角度来考虑，天线包括在器件内，会使得器件的体积过大，天线在系统电路板上实现更可行。如果要集成的是一个音频系统，某些高值电容更适于作为模块的外围器件。模块划分完成后就进入了电路细节的设计阶段。由于SIP 集成涉及到较为复杂的系统，包括模块内部的细节、模块与外部的关系、信号的质
16、量、延迟、分布、噪声等，电路与系统的设计水平成了标志是否具有SIP开发能力的一个关键指标。模拟电路或混合电路是SIP最有优势的应用，而这类电路的设计与一般的数字电路相比，要求开发团队有足够的技能与经验。设计中要考虑的关键问题之一是载体上元器件的布局和连线，这与印刷电路板上的系统设计相似，需要综合考虑基板上各芯片及元件在高频下信号之间的串扰、噪声、电通路的辐射等问题；关键问题之二是载体内无源器件的设计，需要综合考虑无制作源器件工艺的限制（精度） 、品质参数（Q） 、共振频率等。随着模块复杂度的增加和工作频率（时钟频率或载波频率）的提高，系统设计的难度会不断增加，从而导致产品开发的多次反复和费用的上升。除使用设计软件外，系统性能的数值模拟也要参与设计过程，比如高频的电磁场模拟、传热的模拟、可靠性等。4.2 SIP 载体1：高性能多层基板SIP 封装使用的第一类基板材料是目前在 BGA封装中已经普遍使用的有机多层基板，从技术的成熟度和成本方面考虑，这类材料有一定优势
