SiP：系统集成封装技术.doc

SiP：系统集成封装技术窦新玉清华大学电子封装技术研究中心SiP（System in Package）是近几年来为适应模块化地开发系统硬件的需求而出现的封装技术，在已经开始的新一轮封装技术发展阶段中将发挥重要作用。SiP利用已有的电子封装和组装工艺，组合多种集成电路芯片与无源器件，封闭模块内部细节，降低系统开发难度，具有成本低、开发周期短、系统性能优良等特点，目前已经在通信系统的物理层硬件中得到广泛应用。随着半导体制造技术的进步，集成电路芯片引出端（I/O）数与芯片面积的比值将持续上升，现有的二维I/O结构在未来五年里面临着新的挑战，SiP在不改变二维封装结构的前提下作为一个解决方案，有明显的技术优势和市场潜力。SiP技术的普及能够改变目前封装产业以代工为主的状况，为封装企业拥有自主产品在技术上创造了可能性，封装产业的产值在整个半导体产业中的比重会随之增加。1 集成电路产业的发展与需求催生SiP技术从第一支晶体管的诞生，到第一颗集成运算放大器的出现，一直到今天，半导体产业的发展可以概括为一个集成化的过程。多年来，集成化主要表现在器件内晶体管的数量，这个指标在单一功能的器件中目前仍占统治地位，比如存储器。现代系统集成技术中一个更重要的指标是系统功能的完整化，这样就牵扯到不同IC技术与电路单元的集成。单一功能的器件比比皆是，但单一功能的电子系统少见。由于网络与通信技术的普及，纯数字系统（所谓的计算机）几乎已经不存在，物理层硬件是多数系统中必要的组成部分。最基本的数字系统也至少包含逻辑电路和存储器，两者虽都是数字电路，但半导体制造工艺的细化与优化也已使得这两种最基本电路单元的集成不是一件简单的工作。移动通信技术的普及使得电子整机系统向着高性能、多功能和小型化方向发展。这种需求推动了电子封装技术的近十年来的飞速发展，BGA和CSP等先进封装型式因为能够满足多I/O、小型化的技术得到普遍应用。纵观微电子产业发展的历史，封装技术在满足市场需求方面经常是被动地发挥作用；末端电子产品提出集成的要求，前端半导体设计与制造提出解决方案，封装在两者的约束下做物理实现。这种情况将在未来几年会发生变化，目前这种变化已经初步显示出来了。造成这种局面的原因是电子系统复杂度的不断提高，封装也要参与系统集成的过程。一个先进的电子整机系统是由许多不同技术和功能的器件和电路、不同的材料等集成实现的，能够完成信号的发射、接收、存储、处理、再现（图像的显示和声音的播放等）等多项功能。以移动手机为例，它的功能包括远程无线通信（GSM和WCDMA）、近程无线接入（IrDA，Bluetooth或WLAN）、有线连接（USB）、支持操作系统和应用程序运行的CPU，平板显示及背光LED、音频系统、及支持这些硬件的电源管理系统等。所有这些功能的内部细节的以及它们的组合多少年来一直是末端产品制造商的任务，使得产品开发的费用越来越高、周期越来越长，这样发展下去，终究会有一天发生量变到质变的转换，产品开发从“难”过渡到“不可能”。软件工程已经解决了这个问题：OOP的概念使得每个层次的问题在规模上都大体相同，系统集成的工作与模块开发的工作比重相同。硬件系统的开发也必须走这条路。这就要求整个产业过程均摊系统集成的任务，即芯片设计和封装要承担一部分系统集成的工作。这一需求将决定未来几年芯片设计与封装技术的发展方向，作为设计过程中的集成技术SoC（System On Chip）和作为封装过程中的集成技术SiP（System-in-Package）将逐渐成为产业中主流技术。大量和普遍使用SoC和SiP技术将实现产品开发过程的模块化，进而缩短产品开发周期、降低成本。SoC的思想是在单个芯片上实现数字电路、模拟电路、RF、存储器的集成；SiP的思想则是采用混合集成，将多种类型的元件，如Si-CMOS、GaAs-RF、各种无源器件等组合为一个紧凑的具有独立功能的模块。两者的目的一致，但方法不同。SoC代表了设计的最高阶段，实现了性能最优、功耗最低、体积和重量最小，但其设计复杂、设计周期长、开发成本较高，而且目前基于标准CMOS工艺的芯片在很多方面（比如：射频、光电、高电压）的性能指标还不能满足要求。相比之下，SiP设计灵活、快捷，利用现有的比较成熟的元器件，设计周期短，工艺成熟。SiP与其说是一种封装技术，不如说是一种集成思想，它利用现有的封装工艺将系统需要的元件进行组合，以最低的成本、最快的时间、达到最优的系统性能。半导体制造技术遵循着摩尔定律不断发展，器件的I/O数量随之不断增加，其封装技术也相应地走过了一个从一维周边结构（QFP）到二维平面阵列（BGA）的过程。没有这种封装技术的进步，先进的半导体制造技术就不能体现出来，集成电路的体积就不能随着芯片集成度的增加而减小，相反，I/O数量的增加会导致器件的体积增大。现今的平面封装技术面向器件与印刷电路板间的组装，主要是为了解决集成电路与布线板间线宽的不匹配，这种技术在未来五年内将随集成电路制造技术的进一步发展而面临巨大的挑战。解决这种问题的一个办法是使用高密度基板，但目前在电子产品中整体使用高密度基板还有着成本问题，所以较为普遍的方法是只在器件封装的过程中使用高密度基板。另一种解决方案是减少器件的I/O总数，其途径是以封装工艺进行系统集成，减少外围器件，将系统内部的I/O封闭在系统之内，从而降低器件与组装板间的IO总量。在未来的几年里，这两种方式互相补偿，都将成为封装技术研究的主攻方向。2 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。2.1 系统模块的划分与设计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SiP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、发送与接收放大、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通过封装实现在一个器件内。而从封装的角度来考虑，将天线包括在器件之内会使得器件的体积过大，相对而言，天线在系统电路板上实现更现实。如果要集成的是一个音频系统，某些高值电容更适合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，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。2.2SiP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这类材料有一定优势。但是由于精度问题，无源器件的集成有一定的困难，未来的发展有局限性。但SiP技术目前尚属早期阶段，实现SiP的整体要求不高，以原始技术实现的模块就已显出优势，一定程度上满足了市场需求。这类产品中多数使用的无源器件仍是SMT分立器件，有机基板的应用在某种程度上占主流地位。随着技术的发展和产业链的形成，有机材料的基板除非在工艺精度上有突破，其市场份额会逐渐减少。另一类受到较多关注的并且具有一定实用前景的是LTCC。LTCC 最早由杜邦公司研制开发，它与传统的HTCC（高温共烧陶瓷）材料的主要区别在于HTCC的玻璃含量少，通常在8 %15 %之间，其烧结温度为1,200 1,600 ，布线导体只有耐高温的W 和Mo 才能适应；而LTCC的玻璃含量则超过50，其烧结温度较低，在850950 ，布线导体可以使用导电、导热及电阻率低的Au、Ag、Cu、Pd - Ag 等金属浆料。这就给工艺设计和制作等带来方便，并可集成无源元件(R、C、L) 。而且玻璃成分的增加，降低了材料的介电常数，减少了电通路上的功率损耗，具有优良的高频性能，使其成为许多高频应用领域的理想材料。与有机基板一样，在LTCC上制作无源器件的工艺精度仍是个问题。2.3 SiP载体2：薄膜互连工艺该项技术同WLP中的再分布工艺非常类似，就是在加工好的基板上相间沉积介电层和导线层，完成布线与互连，并利用金属层的图形以及沉积其他材料形成无源器件(R、C、L)，在封装载体内实现阻抗匹配，外部通过倒装焊与其他元件连接起来，形成一个完整的系统1。该项技术也被称为MCM-D技术，主要对基板上的沉积层的设计和材料有特殊的要求。利用薄膜互连技术可以同现有的微电子制造技术兼容，工艺精度高，实现起来比较简便，无源器件的品质系数高，衬底材料也不限于硅圆片；同时省去了陶瓷加工昂贵的开模费用，有效地降低了生产成本。无源器件的高精度来自于薄膜互连工艺中的光刻技术和受温度影响不大的衬底材料（硅、玻璃等）。2.4 模块组装技术在模块组装方面，COB和COC技术是目前的主流。COB（Chip on Board）是针对器件与有机基板或陶瓷基板间的互连技术。现有的技术包括引线键合（Wire Bonding）和倒装芯片（Flip Chip）。引线键合技术简单成熟，但占用芯片周边的面积，封装效率相对较低。倒装芯片效率高，采用下填料（Underfill）固化后可靠性也没有问题，但需要专用设备（Flip Chip Bonder）。COC最初是为了集成逻辑电路与存储器而开发的多芯片封装（MCP）技术，可以直接用于芯片与完成薄膜互连工艺后的硅衬底间的互连。下图是一个典型的COC工艺过程和组装后的结构2。图1. COC工艺流程和组装后的结构3 SiP技术的应用 SiP技术可以应用到信息产业的各个领域，但目前研究和应用比较普遍是在无线通信中的物理层电路，主要是由于商用射频芯片还很难用硅工艺实现，使得SoC技术能实现的集成度相对较低，性能难以满足要求。同时由于物理层电路工作频率高，各种匹配与滤波网络非常重要，使得电路设计复杂、含有大量无源器件，可以充分显示SiP的技术优势。目前SiP技术尚属初级阶段，虽有大量产品采用了SiP技术，其封装的技术含量不高，系统的构成与PCB上组装系统相似，无非是采用了未经封装的芯片通过COB技术与无源器件组合在一起，系统内的多数无源器件并没有集成到基板内，而是采用SMT分立器件。以下给出几个已经商业化的SiP产品。最早出现的模块电路是手机中的功率放大器，这类模块中可集成多频功放、功率控制、及收发转换开关等功能。图2是一款手机中使用的功放模块。图2 手机种的功放模块 手机中功放电路指标要求高，目前的集成技术基本上处于这个水平，中频电路、基带处理器，甚至VCO还多是独立的器件。集成度较高的是Bluetooth和802.11（b，g，a）。图3是Philips的BGB202 Bluetooth SiP模块3。这款模块除了天线之外，包含了基带处理器和所有的物理层电路，其中一部分滤波电路就是用薄膜工艺实现的（但不是在SiP的载体中，而是以一个分立的无源芯片形式出现的）。整个模块的外围尺寸是7mm x 8mm。 图3. Philips的BGB202 Bluetooth SiP模块Philips还有一款面向3G通信的手机电视解决方案4图4：Philips的手机电视解决方案，其中前端的硬件是一个SiP模块。4 SiP：新的产业结构与发展良机SiP的设计思想将改变封装仅仅是管芯制造后道工序的局面，使封装的设计也成为系统设计的一个重要组成部分。与在印刷电路板上进行系统集成比，封装集成能最大程度上优化系统性能、避免重复封装、缩短开发周期、降低成本、提高集成度。同时，对比系统芯片（SoC），SiP具有灵活度高、集成度高、性能优良、设计周期短、开发成本低、容易进入等特点。掌握这项刚刚兴起的新技术是我们进入主流封装领域的关键。SiP在未来几年里还将打破目前集成电路内部的产业格局，改变封装仅仅是一个加工厂的状况（芯片设计公司为客户，封装厂没有自己的品牌、不面对最终用户，高额利润被芯片设计公司掌握）。未来的集成电路产业中会出现一批结合设计能力与封装工艺的实体，掌握有自己品牌的产品和利润，而芯片制造商变成了他们的供应商。目前全世界封装的产值只占集成电路总值的10%左右，当SiP技术被封装企业掌握后，产业格局就要开始调整，封装业将会出现一个跳跃式的发展，这是我国发展有自主知识产权的封装产业的良好时机。1.Wim Diels, Kristof Vaesen, Piet Wambacq, Stphane Donnay, Walter De Raedt, Marc Engels, and Ivo Bolsens, “Single-Package Integra