系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)及其應(yīng)用

李振華+劉小剛+楊寧

摘要：系統(tǒng)級(jí)封裝（System in Package，SiP）技術(shù)能夠?qū)⒉煌N類以及功能的電子元器件集成到一個(gè)系統(tǒng)中，形成一個(gè)完整的系統(tǒng)，這是一項(xiàng)前景廣闊的技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)也十分顯著：設(shè)計(jì)編輯、制作周期短、有較高的兼容性等等，已經(jīng)得到越來越多的使用。本次文章通過SiP技術(shù)的了解，探討了該技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)級(jí)封裝；SiP關(guān)鍵技術(shù)；技術(shù)發(fā)展；技術(shù)應(yīng)用

1 引言

在早起的封裝理念中，將芯片組裝在密封的容器內(nèi)，容器的材質(zhì)有金屬、塑料等，使芯片能夠正常與外界的機(jī)械、電、熱關(guān)聯(lián)上，并保證功能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。現(xiàn)如今封裝技術(shù)迅猛發(fā)展，使得市場(chǎng)對(duì)其的要求也越來越高，體積小、耗能低、功能多、速度快已經(jīng)成為目前的發(fā)展趨勢(shì)。市場(chǎng)上常見的電子產(chǎn)品，尤其是可便攜式的產(chǎn)品，都要求微小化，同樣，在軍工產(chǎn)業(yè)也需要微小化。這種趨勢(shì)又進(jìn)一步促進(jìn)了技術(shù)的發(fā)展，業(yè)內(nèi)相關(guān)商家對(duì)此的關(guān)注度也越來越高，開發(fā)的商家也呈現(xiàn)幾何倍數(shù)的增長。這就是最近幾年系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)得意迅猛發(fā)展的原因。

在IC封裝領(lǐng)域，SiP是一種內(nèi)涵豐富、優(yōu)勢(shì)突出的先進(jìn)封裝，主要?dú)w納為以下幾點(diǎn)：

（1）實(shí)施系統(tǒng)集成。多個(gè)集成電路芯片和分立器件和無源元件集成在一個(gè)封裝中，并且可以堆疊在多個(gè)裸芯片上，并且可以在有多個(gè)封裝體的情況下，直接進(jìn)行堆疊和嵌入；

（2）對(duì)于不同工藝、不同功能的芯片，可以實(shí)現(xiàn)完美的兼容，達(dá)成高效可靠的單芯片級(jí)進(jìn)入系統(tǒng)級(jí)異質(zhì)集成

（3）它有效地解決了SOC不能集成模擬、射頻和數(shù)字功能的問題；

（4）在一個(gè)封裝體內(nèi)組裝了各種IC芯片、無源元件，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的功能。這是是縮小尺寸、提高集成度的有效途徑。使得成本大幅度降低，并節(jié)省時(shí)間成本。

基于系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)思想的SIP方法內(nèi)涵豐富，涉及集成芯片、系統(tǒng)、封裝結(jié)構(gòu)、材料、組件等諸多問題。這是一個(gè)非常寬泛的概念。隨著技術(shù)的發(fā)展，其內(nèi)涵和概念將不斷擴(kuò)展和完善。

2 SiP關(guān)鍵技術(shù)

SiP的互連可以是單純的引線鍵合、倒裝焊以及二者的結(jié)合，還有硅通孔等技術(shù)。以下介紹目前SiP的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 高密度互連基板材料

組成SiP系統(tǒng)最重要的基礎(chǔ)部件就是基板。它不僅提供機(jī)械支持和電氣互連，而且還可以將無源組件埋置起來，大大提高系統(tǒng)的封裝效率。目前基板的材料主要是兩類：有機(jī)高分子材料和低溫共燒陶瓷（LTCC）。它們的特點(diǎn)是層數(shù)多、密度高，能夠最大限度的集成各種元器件。但是，這兩種材料也是各有優(yōu)缺點(diǎn)。

有機(jī)高分子材料是一種200-300攝氏度的低溫工藝，生產(chǎn)成本低、穩(wěn)定性強(qiáng)、瑕疵率很低，適合大規(guī)模生產(chǎn)。它的適用面非常廣泛，幾乎可以完美兼容集成所有材料。但是缺點(diǎn)也很明顯，它的精度方面還是存在一些問題，導(dǎo)致其在無源器件集成方面無法有效的達(dá)成。

LTCC的玻璃含量較高，可高達(dá)50%，并且非常容易集成無源元件。具有非常優(yōu)良的高頻特點(diǎn)，功率損耗也非常小，是目前性能最好的材料，已經(jīng)成為眾多廠家的首選，比如航天科技、電子通訊等等領(lǐng)域。但是其制作成本很高，并且瑕疵率也很高。在應(yīng)用方面與有機(jī)高分子材料相比，不夠廣泛。

因此，兩種材料各有各的特點(diǎn)，在選取的時(shí)候應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況擇取。

2.2 芯片的互連方式

連接芯片有很多種方法，如引線鍵合、磁帶自動(dòng)焊接、倒裝焊（FC）、硅通孔（TSV）等，F(xiàn)C和TSV是一種新的互連方式。傳統(tǒng)的封裝互連主要是通過引線鍵合和載帶自動(dòng)焊實(shí)現(xiàn)的，其中引線鍵合仍是互連的一種重要方式。

隨著SiP的發(fā)展，現(xiàn)在采取FC技術(shù)，它比傳統(tǒng)引線鍵合更有優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)在信號(hào)傳輸路線更短，容易實(shí)現(xiàn)微小化封裝，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

另外一種新互連方式是TSV，它主要是實(shí)現(xiàn)芯片兩面的電連接。最終滿足器件的高頻特點(diǎn)。

2.3 無源組件集成技術(shù)

無源組件是系統(tǒng)內(nèi)重要的組成部分。將無源組件集成之后，能夠顯著提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性；同時(shí)將體積縮小，能夠大大降低成本。主要有三種方式：分立式就是直接將封裝好的組件組裝到系統(tǒng)中，其優(yōu)點(diǎn)是制作工藝很成熟，劣勢(shì)也十分明顯，那就是整體的集成度偏低；集成式就是可以在系統(tǒng)中直接將無源組件整合組裝進(jìn)來；埋置式是在基板內(nèi)部直接進(jìn)行無源組件的制作，使得互連和效率達(dá)到最大化。

內(nèi)埋置無源組件技術(shù)已經(jīng)成為目前眾多相關(guān)廠家的研究重難點(diǎn)。它在無源器件上已經(jīng)相對(duì)成熟。在未來最大的挑戰(zhàn)是有源芯片的埋置結(jié)構(gòu)。

2.4 三維封裝與組裝技術(shù)

SiP沒有固定的結(jié)構(gòu)形態(tài)，在芯片排列方式上可以是平面的封裝，也可以是三維立體的封裝。就目前而言，平面封裝已經(jīng)很難滿足SiP日漸復(fù)雜的系統(tǒng)，因此必須加入垂直維度，使用三維立體方式來進(jìn)行封裝。目前三維立體封裝已經(jīng)逐漸成為主流技術(shù)。三維立體封裝類型一共有三種：埋置型、有源基板型、疊層型。其中最常用的方法是疊層型，它是在平面封裝的基礎(chǔ)上，將多個(gè)組件進(jìn)行垂直連接，組成三維立體的封裝。

2.5 SiP可靠性技術(shù)

SiP技術(shù)不僅需要考慮到制作成本、制作工藝，最重要要考慮到產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性。目前在可靠性方面也面臨一些嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，比如焊點(diǎn)可靠性、薄芯片的機(jī)械特點(diǎn)等等。關(guān)于

可靠性研究主要包括失效分析、可靠性試驗(yàn)與評(píng)估、過程控制和可靠性設(shè)計(jì)。

3 國內(nèi)外SiP技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

3.1 在國外的發(fā)展及應(yīng)用

SiP技術(shù)最先開始研究的國家是美國，美國在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中擁有非常完成的體系，在對(duì)SiP擴(kuò)展市場(chǎng)方面有很大的優(yōu)勢(shì)。此后，歐盟、韓國等擁有半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的國家紛紛加大對(duì)SiP的投入。目前，公認(rèn)的處于技術(shù)頂尖地位的機(jī)構(gòu)是美國的喬冶亞理工學(xué)院封裝研究中心。

國外許多機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始關(guān)注缺陷診斷和故障分析技術(shù)。例如，Infineon公司通過采用大電流FIB對(duì)SiP進(jìn)行缺陷分析，飛利浦利用半導(dǎo)體激光刻蝕技術(shù)制作SiP得到暴露的缺陷。過激光刻蝕技術(shù)和FIB技術(shù)的結(jié)合，最后制作完成SiP樣品，這已經(jīng)在國內(nèi)外得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。endprint

3.2 在國內(nèi)的發(fā)展及應(yīng)用

近年來，我國對(duì)SiP的研究進(jìn)展緩慢。對(duì)其可靠性的研究僅處于模擬階段，相關(guān)缺陷診斷和故障分析技術(shù)的研究還很少。許多研究機(jī)構(gòu)正密切關(guān)注世界的新趨勢(shì)和新建議。同時(shí)，結(jié)合國內(nèi)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，提出了適合自身發(fā)展的SiP技術(shù)的研究方向。

不少企業(yè)在系統(tǒng)級(jí)封裝及測(cè)試領(lǐng)域進(jìn)行了研發(fā)，長電科技、南通富士通、天水華天等在SiP的封裝設(shè)計(jì)上，包括電、熱、可靠性各方面，并且在TSV技術(shù)上的研究都有了顯著成果。目前國內(nèi)對(duì)SiP技術(shù)作重點(diǎn)研究和開發(fā)的機(jī)構(gòu)有中科院微電子所、清華大學(xué)、北京大學(xué)、工業(yè)和信息化部電子第五研究所等。在國家02專項(xiàng)的支持下，中科院微電子所聯(lián)合多家研究機(jī)構(gòu)，對(duì)SiP開展了各項(xiàng)研究工作，成為國內(nèi)研究SiP技術(shù)的主力軍，已經(jīng)在3DSiP封裝設(shè)計(jì)、TSV工藝等研究上取得了進(jìn)展。

許多企業(yè)已經(jīng)在系統(tǒng)級(jí)封裝和測(cè)試領(lǐng)域做了研究，長電科技、南通富士通、天水市華天在SiP的包裝設(shè)計(jì)，包括電力、熱、可靠性，和TSV技術(shù)的研究取得了顯著成果。目前，在中國的SiP技術(shù)的研究和開發(fā)的重點(diǎn)是微電子研究所、中國科學(xué)院、清華大學(xué)、北京大學(xué)、工業(yè)和信息化部電子第五研究所等。在國家02專項(xiàng)支持中，微電子聯(lián)合多家科研機(jī)構(gòu)所開展的研究工作基于SiP開展深入研究，SiP技術(shù)成為國內(nèi)研究的主要力量，已經(jīng)取得一些成果和認(rèn)識(shí)，比如在3DSiP包裝設(shè)計(jì)等等等。

4 結(jié)論

隨著人們對(duì)便攜式產(chǎn)品需求的不斷增加，SiP技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。特別是在無線通信領(lǐng)域，如WiFi、藍(lán)牙；醫(yī)療設(shè)備，如膠囊內(nèi)鏡；和CMOS圖像傳感器，數(shù)碼相機(jī)和軍事設(shè)備（如雷達(dá)系統(tǒng)）。SiP越來越成為半導(dǎo)體行業(yè)的擴(kuò)張的重要支持技術(shù)，其發(fā)展將對(duì)整個(gè)電子產(chǎn)品市場(chǎng)產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。然而，介于其復(fù)雜性，在設(shè)計(jì)和加工技術(shù)上提出了更高的要求，其可靠性是業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。SiP需要故障分析來解決設(shè)計(jì)和處理問題。但無論如何，SiP都是擁有廣闊的前景，為我國的半導(dǎo)體事業(yè)做出卓越貢獻(xiàn)。

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