SOP集成技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其在毫米波系統(tǒng)中的應(yīng)用?

朱勇??，張凱

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

SOP集成技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其在毫米波系統(tǒng)中的應(yīng)用?

朱勇??，張凱

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

介紹了SOP（System-On-Package）集成技術(shù)，并與傳統(tǒng)系統(tǒng)集成方法以及SOC（System-On-Chip）、MIP（Module-In-Package）、MCM（Multi-Chip-Module）、SIP（System-In-Package）等微封裝、微集成技術(shù)進行了比較和分析，揭示了SOP小型化、低成本、高可靠性、高性能特點。對SOP在毫米波系統(tǒng)應(yīng)用、新材料和新工藝的進展進行了總結(jié)，結(jié)果表明SOP在毫米波系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景。

毫米波；集成技術(shù)；SOP；小型化；綜述

1 引言

毫米波廣泛應(yīng)用到軍事電子裝備和系統(tǒng)的各個領(lǐng)域，利用毫米波可用帶寬寬、穿透能力強、天線波束窄的特點，能使武器平臺達到當前最佳的信息化水平和戰(zhàn)場適應(yīng)能力、信息對抗能力。

SOC（System-On-Chip）、MIP（Module-In-Package）、MCM（Multi-Chip-Module）、SIP（System-In-Package）等微集成電路/系統(tǒng)、微封裝技術(shù)使電子設(shè)備的體積更小，性能可靠性更高。SOP（System-On-Package）可以兼容集成SOC、MCM、MIP、SIP，是獲得電子裝備當前最優(yōu)化的小型化、低成本、高可靠性、高性能微集成和封裝系統(tǒng)技術(shù)。

本文綜述了毫米波SOP集成技術(shù)，包括基本概念和特點、應(yīng)用方向和價值、國內(nèi)外應(yīng)用的進展，以及電路、工藝制造、材料等集成要素的關(guān)鍵技術(shù)，展望了SOP的毫米波系統(tǒng)應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢。

2 SOP的基本概念和特點

SOP稱為基于封裝的系統(tǒng)，以系統(tǒng)為設(shè)計對象［1］，強調(diào)電路設(shè)計、集成制造一體化，工藝材料與結(jié)構(gòu)、電路集成兼容性。對比基于模塊的二次系統(tǒng)集成，SOP是一種革命性的系統(tǒng)集成技術(shù)，具有以下特點：

（1）多種集成元素兼容性：接口、安裝、屏蔽、散熱、信號互聯(lián)結(jié)構(gòu)材料要素，電路、器件安裝、傳輸線、天線等功能電路要素，芯片鍵合、粘接、保護、介質(zhì)材料與基板等制造工藝要素兼容；

（2）高密度集成：應(yīng)用多層板內(nèi)埋元器件、傳輸線、功能電路及3D疊裝技術(shù)；

（3）節(jié)省材料：省去了模塊重復(fù)、多層級封裝、安裝連接和接口硬件；

（4）制造管理流程?。翰捎靡惑w化制造技術(shù)，與模塊二次集成比較，工藝制造過程、管理環(huán)節(jié)減少；

（5）節(jié)省研發(fā)成本：兼容并盡量采用成熟的器件、模塊、電路進行一次性封裝集成。

SOP是一種系統(tǒng)集成技術(shù)，在單個封裝內(nèi)綜合計算機處理、通信、生物電子功能、消費電子集成的高度小型化系統(tǒng)技術(shù)，它通過短時間內(nèi)封裝集成系統(tǒng)級器件完成這種小型化［1］。SOP概念由美國佐治亞洲工學(xué)院封裝研究中心（Package Research Center，PRC）提出。SOP希望利用現(xiàn)有的器件、模塊進行系統(tǒng)集成，如圖1（a）［2］所示。

SOP、SIP、MIP、MCM、SOC是一組聯(lián)系緊密的概念。SOC稱為系統(tǒng)芯片，可以是SIP、SOP封裝內(nèi)的一個功能子集。MCM強調(diào)多個芯片在基板上的平面安裝和互聯(lián)，如果形成系統(tǒng)級行為或功能的單一封裝結(jié)構(gòu)，則可看作SOP；功能組合模塊化的獨立封裝結(jié)構(gòu)，則認為是MIP。MIP更接近于SOP的混合集成電路，但不具備系統(tǒng)級的行為或功能。

SIP強調(diào)多個功能芯片或其他器件的合并封裝，典型的SIP［2］是一種芯片級的層疊安裝的結(jié)構(gòu)，安裝基板僅提供2D安裝和信號互聯(lián)的功能，如圖1（b）所示。

圖1 典型的SIP和SOP結(jié)構(gòu)Fig.1 Representative configuration of SIP and SOP

3 毫米波SOP的應(yīng)用價值

如圖2所示，SOP提供兼容SOC、MCM、SIP等微集成電路技術(shù)，SMT、微組裝、微封裝工藝制造，多種材料、系統(tǒng)功能以及高效熱管理的能力，體現(xiàn)了一體化設(shè)計、一體化制造、充分利用現(xiàn)有產(chǎn)品的系統(tǒng)集成思想，使電子產(chǎn)品具有當前最佳［3］的小型化、低成本、高性能和高可靠性，如表1所示。

圖2 SOP兼容集成3D-MCM、SIP、SOCFig.2 3D-MCM，SIP，SOC compatibly integrated in SOP

表1 SOC、MCM、3D特性比較Table1 Comparison between SOC，MCM and 3D-Stacking

小型化：SOP高度的兼容性和高密度集成，材料省。

低成本：SOP節(jié)省研發(fā)成本、材料，制造管理流程。

高性能：高密度垂直互聯(lián)傳輸路徑更短，損耗更??；芯片熱源到封裝表面散熱路徑縮短，散熱效率提高；封裝層次減少降低器件間的連接損耗。

高可靠性：SOP在相對較小體積下完成所有器件氣密性封裝；安裝、散熱、接口、封裝、信號屏蔽、電氣互聯(lián)等兼容設(shè)計，使用更少的工藝過程和材料。

4 國內(nèi)外SOP系統(tǒng)應(yīng)用的進展

V頻段SOP在高速數(shù)據(jù)、圖像傳輸?shù)玫綉?yīng)用和發(fā)展，天線、射頻收發(fā)功能的MMIC芯片和大容量信號處理集成到一個封裝里面，為本地局域通信系統(tǒng)（WALNS）、物聯(lián)網(wǎng)、高清數(shù)字電視、高清多媒體等提供寬帶光纖網(wǎng)絡(luò)的無線接口。

如圖3所示，60 GHz光纖射頻無線接口收發(fā)信機采用LTCC多層電路板［4－5］在單封裝上集成了光電轉(zhuǎn)換器、低噪聲放大器、功率放大器、開關(guān)和天線。工作帶寬大于7GHz，碼速率達到2.4Gb/s。采用液晶聚合物（Liquid Crystal Polymer，LCP）有機介質(zhì)基板技術(shù)實現(xiàn)的V頻段SOP收發(fā)信機［6］內(nèi)埋濾波器、匹配網(wǎng)絡(luò)、V頻段雙工器和陣列貼片天線，雙工器插損低于4 dB，隔離度大于23 dB，4單元的陣列貼片天線增益20 dB。

圖3 60 GHz光纖射頻接口SOP系統(tǒng)框圖和實物照片F(xiàn)ig.3 SOP system figure and photo of conversion of fiber and RF at60 GHz

美國佐治亞洲工學(xué)院在V頻段完成了一個通信和雷達SOP，分別采用QFN和BGA形式的LTCC封裝［7］。1m傳輸距離上，碼速率15 Gb/s；2 m距離10 Gb/s；5m距離上5 Gb/s。

V頻段毫米波SOP各項性能指標可以滿足各種近程寬帶通信的應(yīng)用潛力，并具備較高的抗干擾能力和小型化水平。

5 SOP集成關(guān)鍵技術(shù)及進展

5.1 多層介質(zhì)材料

多層介質(zhì)提供信號的互聯(lián)、隔離以及內(nèi)埋電容、厚膜電阻、多層電感、LC、微帶、SIW濾波器集成。LTCC是一種比較成熟微波毫米波［8－9］多層介質(zhì)板材料，可以方便地開槽、打孔，形成液冷散熱微流孔、金屬熱沉和屏蔽隔離腔，是目前SOP多種集成功能兼容性最具吸引力的多層介質(zhì)材料。

LCP適合SOP應(yīng)用［10］，在XY方向具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，強度高，熱膨脹系數(shù)可控，具有極低的吸水率和較高的氣密性，可集成高密度的多層結(jié)構(gòu)。用較低熔點（280℃）的LCP薄膜作為粘接層，較高熔點（315℃）的LCP基板作為“芯板”，可與金屬、陶瓷介質(zhì)、聚四氟乙烯、玻璃鋼等材料直接熱熔固化，形成復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)。

低介電場數(shù)介質(zhì)基片在10μm量級的介質(zhì)厚度上可獲得較低的傳輸損耗和較高的Q值，如BCB（苯并環(huán)丁烯聚合物）、PPE（聚苯醚樹脂）、PI（聚酰亞胺）等，如表2所示。

表2 用于SOP的介質(zhì)材料性能和特性Table 2 Performance and speciality of dielectr icmaterial used for SOP

5.2 基板材料和多層板制造

基板是多層板結(jié)構(gòu)材料焊接、熱學(xué)、力學(xué)特性的載體，提供3D疊層安裝、高密度垂直互聯(lián)等，要求熱膨脹系數(shù)低、熱阻小、剛度大、強度高，可采用LTCC、HTCC、Al2O3、AlN以及Si、Al-SiC、C-SiC等半導(dǎo)體襯底材料。高剛性模量和低熱膨脹系數(shù)基板材料可滿足50～100μm節(jié)距微凸點高密度互聯(lián)和布線對基板翹曲度的需求［11］。多層板層壓制造工藝能夠兼容多種介質(zhì)、基片材料以及金屬的混合層壓，厚膜、薄膜、覆銅板蝕刻技術(shù)是解決SOP封裝母板以及疊層基板的最具前途的多層介質(zhì)和基板制造技術(shù)。

5.3 高密度互聯(lián)與3D堆疊

3D疊裝高密度互聯(lián)形式主要有金絲鍵合、通孔互聯(lián)、剛撓板互聯(lián)、BGA互聯(lián)以及金屬凸點到凸點形式的倒扣焊技術(shù)，如圖4（a）～（e）所示［3］。

圖4 3D堆疊高密度互聯(lián)形式Fig.4 The form of high density 3D stacking interconnect

金絲鍵合、通孔互聯(lián)、剛?cè)峄蹇芍圃煨院?，但引線長，高頻率信號損耗大，電磁兼容性差，不適合毫米波高頻段的應(yīng)用。

BGA具有引線密度大、焊接方便、性能好、功能（互聯(lián)與結(jié)構(gòu)安裝、信號屏蔽、熱設(shè)計）兼容好的特點。BGA到40 GHz的反射小于－15 dB，插損小于0.5 dB［12－14］。接地BGA還可倒扣焊接在底板上形成屏蔽腔［16］，實現(xiàn)信號的屏蔽和隔離。

金屬凸點與BGA互聯(lián)比較，節(jié)距更小，互聯(lián)引線更短，電氣性能更優(yōu)，3D基板堆疊密度更高，電路、結(jié)構(gòu)、熱、工藝兼容能力優(yōu)于BGA。金屬凸點焊接采用非熔流焊接，可直接用于裸芯片基片3D基板堆疊。常用金屬凸點主要有Cu-Cu、Cu-Sn-Cu、Au-Au、Ti-Si［3］，接觸面鍍薄層錫金屬，在真空條件下鍵合，鍵合溫度低于300℃，這種金-金鍵合對基板翹曲度要求達到1μm量級。日本東芝公司采用金和銀錫合金代替純錫［3］，放松金屬凸點互聯(lián)對基板翹曲度的要求，如圖4（f）所示。

5.4 打孔和布線

SOP追求微通互聯(lián)孔化和布線密度不斷提高。國際電子生產(chǎn)商聯(lián)盟（National Electronics Manufacturing Initia-tire，NEMI）2000年在電子產(chǎn)品路線圖中指出［11］，到2010年，實現(xiàn)低介電常數(shù)2.2～3.3、低損耗正切0.0008～0.008、3～9μm金屬薄膜，單層介質(zhì)厚度和通孔直徑10～30μm，微凸點節(jié)距30～100 μm，線寬和縫隙3～10μm，布線密度10 000 cm/cm2。這個目標在2005年實現(xiàn)［15］，高剛性模量C-SiC作核心基片，真空沉積10μm厚度的BCB多層介質(zhì)，線寬和間距6μm，最小孔徑5μm。

5.5 有源芯片埋置

有源芯片埋置技術(shù)實現(xiàn)裸芯片多層介質(zhì)自封裝和薄片化。環(huán)氧、LCP等具有粘接和固化特性的介質(zhì)，F(xiàn)lip-Chip安裝方式利于有源芯片在多層介質(zhì)埋置。埋置技術(shù)可分為源芯片前埋置、中間埋置、后埋置3種［18］，后埋置技術(shù)利于簡化工藝流程。前埋置技術(shù)芯片安裝到基板上，再建立芯片正面與介質(zhì)層多層互聯(lián)，如圖5（b）［18］所示；中間埋置在多層介質(zhì)和基板制造過程中間將芯片正面向下安裝到多層介質(zhì)上，再建立與多層介質(zhì)的互聯(lián)，如圖5（a）［19］所示；后埋置則在多層介質(zhì)板成型后，芯片正面向下倒扣安裝到多層介質(zhì)板上，如圖5（c）［18］所示。

圖5 芯片埋置技術(shù)Fig.5 The technology of chip embedded

通孔互聯(lián)、倒扣焊與芯片內(nèi)埋工藝兼容性較好，可較好匹配芯片表面介質(zhì)覆蓋和電磁場屏蔽效應(yīng)。金絲鍵合的MMIC芯片沒有考慮表面的介質(zhì)覆蓋和屏蔽［20］，需留出一定高度的空氣介質(zhì)，如圖6所示。

圖6 金絲鍵合的芯片埋置示意圖Fig.6 The illustration of chip embedded with wiring bonding

5.6 無源元件和電路埋置

無源元件和電路埋置不僅提高了多層介質(zhì)板的集成密度，降低了成本和器件安裝時間，還有利于提高集總元件的Q值，消除分立器件焊點，提高SOP電氣性能和可靠性。

嵌入可與SOP兼容集成的鈦酸鋇薄膜，MIM結(jié)構(gòu)埋置電容密度達到1μF/cm2；多層垂直交錯結(jié)構(gòu)電容（Vertically Interdigitated Configuration，VIC）所需的面積比MIM結(jié)構(gòu)可能低一個數(shù)量級［2］。

LTCC多層電路可以制作nH級的高Q值電感，根據(jù)電感感值大小和頻段，主要有平面曲線（Meander-Line）結(jié)構(gòu)、平面式螺旋（Spiral）電感和立體螺旋電感3種結(jié)構(gòu)［2］。采用埋置CPW傳輸線，在2D單面和3D雙面集成電感量［20］分貝達到0.6～30 nH，自諧振頻率（Self-Resonance Frequency，SRF）高于40 GHz和2 GHz，Q值大于110和30。

毫米波SOP應(yīng)用濾波器頻段覆蓋DC～60 GHz。在高達60 GHz頻段，SIW、微帶、帶狀線濾波器得到大量應(yīng)用［21－23］。

6 毫米波SOP的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢

目前還未見一款成熟的毫米波SOP產(chǎn)品面世，因此需要建立適應(yīng)毫米波SOP一體化設(shè)計、制造的技術(shù)體系框架以及相應(yīng)的技術(shù)組織方法，實現(xiàn)毫米波SOP的可生產(chǎn)性、可調(diào)試性，使之具有與基于模塊化二次集成大致同等的設(shè)備研發(fā)和產(chǎn)品化能力?；赟OP的特點和系統(tǒng)應(yīng)用、集成電路、材料體系的發(fā)展現(xiàn)狀，毫米波SOP發(fā)展趨勢具有以下特點：

（1）基于無封裝單片、埋置電路和元件追求產(chǎn)品的小型化、低成本、高性能、生產(chǎn)性；

（2）使用高剛性模量基片和低損耗、低介電常數(shù)介質(zhì)的混合層壓制造工藝和混合材料系統(tǒng)，使電路功能、熱管理、組裝制造具有最大的兼容性；

（3）適用于中近程作用距離、中低價值、中低功率耗散、中低規(guī)模復(fù)雜度電路系統(tǒng)的中大批量應(yīng)用；

（4）建立有效的多學(xué)科協(xié)同、多專業(yè)聯(lián)合的技術(shù)和組織結(jié)構(gòu)，搭建協(xié)同仿真環(huán)境實現(xiàn)SOP微封裝系統(tǒng)集成進行產(chǎn)品化研制。

毫米波SOP適應(yīng)了毫米波系統(tǒng)設(shè)備小型化、寬帶發(fā)展趨勢，在未來武器平臺上具有重大發(fā)展?jié)摿?。?yīng)用于復(fù)雜戰(zhàn)場（地理、天候、電磁場）環(huán)境、輕小型化、大帶寬信息容量、批量需求的軍事平臺和領(lǐng)域，可滿足無人機、直升機、坦克等一線戰(zhàn)斗平臺，適應(yīng)復(fù)雜戰(zhàn)場、電子對抗環(huán)境或協(xié)同條件下的高度信息化、綜合化和小型化；可滿足復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境中便攜式裝備，戰(zhàn)場通信、指揮與敵我識別裝備的小型化；也可滿足火箭彈、炮彈等常規(guī)智能彈藥簡易制導(dǎo)、引信的小型化、低成本和高過載。

7 結(jié)論

毫米波SOP的特點適應(yīng)了電子產(chǎn)品不斷追求小型化、低成本、高性能和高可靠性的趨勢，綜合并兼容了SOC、SIP、MCM等微封裝、微集成技術(shù)，代表了微波毫米波電路與系統(tǒng)微封裝、微集成重要發(fā)展方向。隨著集成電路技術(shù)、材料系統(tǒng)、組織結(jié)構(gòu)的不斷成熟和發(fā)展，可有效規(guī)避研制階段的技術(shù)風(fēng)險，期望批量化的利潤回報抵消研發(fā)階段的高投入。毫米波頻段的特點和SOP概念的結(jié)合，適應(yīng)了毫米波發(fā)展的趨勢，在軍民領(lǐng)域均具有重大發(fā)展?jié)摿?，可能成為未來電子裝備的核心技術(shù)。

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朱勇（1973—），男，重慶綦江人，1996年于蘭州大學(xué)獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要從事毫米波組件和信道的集成研究工作；

ZHU Yongwas born in Qijiang，Chongqing，in 1973.He received the B.S.degree in Electronics and Information Science System from Lanzhou University in 1996.He is now a senior engineer.His research concerns integration ofmillimeter-wavemodule and transceiver.

Email：zhuyong73＠126.com

張凱（1981—），男，四川雅安人，2007年于電子科技大學(xué)獲微波工程專業(yè)碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事毫米波收發(fā)組件和基于LTCC的MCM集成研究工作。

ZHANG Kaiwas born in Ya′an，Sichuan Province，in 1981. He received the M.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2007.He is now an engineer.His research concernsmillimeter-wave TRmodulesand LTCC-basedmultichip-modules（MCMs）.

Email：zkwd1981＠126.com

Progress of SOP Integration Technology and its Application in M illimeter-wave System s

ZHU Yong，ZHANG Kai
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

In this paper，System-On-Package（SOP）is introduced.SOP is compared with traditional system integration technology and other types of integration technology，such as System-On-Chip（SOC），Module-In-Package（MIP），Multi-Chip-Module（MCM）and System-In-Package（SIP）.On this base，it is illustrated that SOP is featured byminiaturization，low cost，high reliability and high performance.And the progress of SOP inmillimeterwave system application，new material and new manufacture technology is analyzed.The results show that SOP has promising future inmillimeter-wave systems.

millimeter-wave；integration technology；SOP；miniaturization；summarization

TN40；TN609

A

1001－893X（2013）02－0219－06

10.3969/j.issn.1001－893x.2013.02.021

2012－11－02；

2013－01－31 Received date：2012－11－02；Revised date：2013－01－31

??通訊作者：zhuyong73＠126.com Corresponding author：zhuyong73＠126.com