系统级封装

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1、系统级封装（Sip ）问题的研究1优势1.1较短的开发时间 系统级封装产品研制开发的周期比较短，市场响应时间比较快。全新的SoC需要耗费大量的时间和金钱，许多产品（特别是消费类产品）不堪 重负。例如，某些SoC的上市时间长达18个月，而SiP可以将该时间削减50%或 更短。1.2满足小型化需求，缩短互联距离将原本各自独立的封装元件改成以SiP技术整合，便能缩小封装体积以节省 空间，并缩短元件间的连接线路而使电阻降低，提升电性效果，最终呈现微小 封装体取代大片电路载板的优势，又仍可维持各别晶片原有功能。系统级封装可以使多个封装合而为一， 从而显着减小封装体积、重量，减 少I/O引脚数，缩短元件之

2、间的连线，有效传输信号。SiP可以将微处理器、存 储器（如EPROM和DRAM）、FPGA、电阻器、电容和电感器合并在一个容纳多 达四或五个芯片的封装中。与传统的IC封装相比，通常最多可节约80%的资 源，并将重量降低90%。通过垂直集成，SiP也可以缩短互连距离。这样可以缩短信号延迟时间、降低噪音并减少电容效应，使信号速度更快。功率消耗也较低。1.3节约成本 系统级封装减少了产品封装层次和工序，因此相应地降低了生产制造成 本，提高了产品可靠性。虽然就单一产品而言封装制造成本相对较高。但从产 业链整合、运营及产品销售的角度来看，SiP产品开发时间大幅缩短，而且通过 封装产品的高度整合可减少印刷

3、电路板尺寸及层数，降低整体材料成本，有效 减少终端产品的制造和运行成本，提高了生产效率1.4能实现多功能集成系统级封装可以集成不同工艺类型的芯片，如模拟、数字和RF等功能芯片， 很容易地在单一封装结构内实现混合信号的集成化。1.5满足产品需求 第一，要求产品在精致的封装中具有更高的性能、更长的电池寿命和不断提高 的存储器密度；第二要求降低成本并简化产品因SiP是将相关电路以封装体完整包覆，因此可增加电路载板的抗化学腐蚀与抗 应力（Anti-stress ）能力，可提高产品整体可靠性，对产品寿命亦能提升。SiP设计具有良好的电磁干扰抑制效果，对系统整合客户而言可减少抗电磁干扰 方面的工作2劣势2

4、.1晶片薄化晶片薄化是SiP增长面对的重要技术挑战。现在用于生产200和300毫米晶片 的焊线连接设备可处理厚度为50微米的晶片，因此允许更密集地堆叠晶片。如 果更薄，对于自动设备来说将造成问题。晶片变得过于脆弱，因此更加易碎。 此外，从晶片到晶片的电子“穿孔”效果将损毁芯片的性能。IC的标准晶片薄化 通常为175毫米。2.2较成熟封装产业成本较高就单一产品而言封装制造成本相对较高。SiP般使用多层结构的BT材质 基板作为封装的载体，再加上各类元件组装、芯片封装及整个封装产品的测试 费用，从封装制造的角度上来说成本的确比封装单芯片的SoC产品高。2.3Tessera Inc .的资深副总裁和首

5、席技术官David B. Tuckerma n认为，另一项挑战是 需要适当的计算机辅助设计(CAD)工具，以便在多功能并行设计环境中充分进 行电子、机械和热学设计。随着SiP封装越来越密，越来越小，必须更好地了解系统级的散热路径。 “我们需要系统级的热学CAD模块，”Tuckerman说。3市场3.1主要产品 蓝牙设备、手机、汽车电子、成像和显示产品、数码相机和电源；医疗电子装置和组件；穿戴装置；物联网3.2需求行动装置产品对SiP的需求较为普遍。就以智慧型手机来说，上网功能已 是基本配备，因此与无线网路相关的Wi-F i模组便会使用到SiP技术进行整合。基于安全性与保密性考量所发展出的指纹辨

6、识功能，其相关晶片封装亦需 要SiP协助整合与缩小空间，使得指纹辨识模组开始成为SiP广泛应用的市场。另外，压力触控也是智慧型手机新兴功能之一，内建的压力触控模组 (Force Touch )更是需要SiP技术的协助。除此之外，将应用处理器(AP)与记忆体进行整合的处理器模组，以及与 感测相关的MEMS模组等，亦是SiP技术的应用范畴。2015年Apple Watch等穿戴式产品问世后，SiP技术扩及应用到穿戴式产 品。3.3市场容量电子产品市场的发展需求和新材料、新工艺的出现推动了系统级封装技术 不断发展和进步。目前，系统级封装已经被广泛应用于诸如手机、蓝牙、 WLA N和包交换网络等无线通

7、信、汽车电子以及消费电子等领域，虽然其份额 还不是很大，但已经成为一种发展速度最快的封装技术。 2004年，全球组装生 产了18.9亿只系统级封装产品， 2007年，预计将达到32.5亿只，年平均增长率约 为12。 2007年，全球系统级封装产品的产值预计为80亿美元，其中系统级封 装典型应用产品的市场份额分布如下：手机为35，数字电子为14，无线局域网(WLAN)/蓝牙为12%，电源为12%，汽车电子为9%,图像/显示为 6，光电子为6，其它为6。SoC未必是封装的最终解决方法。我们也看到了通过光、RF和微波线互联 的兴起，甚至可能是碳管、自旋耦合和分子互联。在这些情况中，对封装的要 求将大

8、大降低。此外， 在万物联网的趋势下，必然会串联组合各种行动装置、穿戴装置、 智慧交通、智慧医疗，以及智慧家庭等网路，多功能异质晶片整合预估将有庞 大需求，低功耗也会是重要趋势。产品SiP通过将存储器和逻辑芯片堆叠在一起满足众多消费应用的需求。事实 上, Inte 1对逻辑电路和存储器开发了折叠型堆叠芯片级封装(CSP)SiP。1998 年, Sharp Corp.引入了第一款由裸片闪存和SRAM组成的堆叠芯片级封装，应 用于蜂窝式电话中。Valtronic SA使用折叠理念，将逻辑电路、存储器和无源 组件结合到单独的SiP中，应用于助听器和心脏起博器。现在，公司正在尝试添 加微处理器、功率器件

9、、无源组件和其他功能组件。视频、音频和数据的集中是使用SiP理念的巨大推动力。“智能电话和PDA 中的数据、语音和视频集成，需要在精致的封装中具有更高的性能、更长的电 池寿命和不断提高的存储器密度，”Samsung研发中心的执行副总裁Hyung Lae Ruh说。“我们的SiP解决方案第一次将应用处理器和N AND闪存结合在一起。”另一个增长领域的医疗电子装置和组件，必须降低成本并简化产品。在尝 试提高外科植入手术如泵、助听器和电子神经刺激的效率时，这一点至关重 要。一种即将上市的产品是Valtronic的监控通报器(Watch Communicator)。患者可以 使用这种小巧、通用、电池操

10、作的编程器，通过RF下行发送器和RF上行接收器 控制和监控植入和非植入医疗器件。SiP切合这些应用的封装需要，与传统的IC封装相比，通常最多可节约80%的资 产，并将重量降低90%。这些数字背后的一个关键原因就是采用了表面贴装技 术(SMT)。SiP技术将电子制造服务(EMS)的SMT和半导体装配服务(SAS)融合为 一体。SMT技术无需对印制板钻插装孔，直接将表面组装元器件贴、焊到印制板表面规定 位置上的装联技术组装密度高、电子产品体积小、重量轻，贴片元件的体积和重量只有传统 插装元件的1/10左右，一般采用SMT之后，电子产品体积缩小40%60%，重 量减轻60%80%。可靠性高、抗振能力

11、强。焊点缺陷率低。高频特性好。减少了电磁和射频干扰。易于实现自动化，提高生产效率。降低成本达30%50%。节省材料、能 源、设备、人力、时间等。SiP解决方案的形式各不相同：面对小外形需求的堆叠芯片结构；针对I/O 终端功能的并行解决方案；用于高频率和低功耗操作的芯片堆叠(CoC)形式；用 于更高封装密度的多芯片模块(MCM)；以及针对大型存储设备的板上芯片 (CoB)结构。在这些众多形式中，芯片和其他元件垂直集成，因此所占空间很 小。SiP通常称作3D封装。事实上，IC芯片的三维(垂直或z轴)制造是其自身成功研发成果的延续。不 应将其与3D封装混淆，因为3D封装将不同的功能部件(存储器、逻辑

12、电路、CPU)放在不同的芯片上，然后将它们堆叠在一个封装中。而SiP封装利用了更短的芯片互连导线长度的优势。这与3D硅IC的目标相 同，因为日渐复杂的IC彼此连接越来越困难。SiP技术的关键发展是采用 SiliconPipe的离开顶部(OTT)技术。该理念使高速(在3英寸的距离超过20 Gbits/s) 信号从一个封装的顶部，在统一的阻抗匹配的传输线上传送到另一个封装的顶 部。这样的理念最终推动设计者以SiP方法取代SoC设计(图3)。Amkor将SiP理念应用于数码相机，它使用建立在矩阵带中的薄片基底。柔 性电路包含元件和连接器，以及一个安装在pc板上的图像传感器。所有这些元 器件的上面是一

13、个模块，其中容纳相机的镜头筒、镜头、红外线玻璃、支架和 粘合剂(图5)。Amkor的方法遵循标准处理步骤，并允许使用标准设备，因此能 够降低成本功率和RF应用越来越广SoC在将数字计算组件与功率和RFIC集成时，通常很难满足市场需求。设 计者常常会为器件做在不同的处理平台上而争论不休，例如双极、砷化镓 (GaAs)和硅锗(SiGe)而不仅仅是CMOS。“很难将这些不同的工艺集成到一个硅片封装中，”Fairchild Semiconductor的 技术执行副总裁Don Desbians解释说。“我们深入参与了针对功率器件SiP技术的 开发，这些器件广泛应用于从几百瓦到lkW的各种场合。我们的欧洲

14、客户需要 高功率的消费品，例如家庭供暖，因此我们提供了智能功率模块。汽车部门提 供额外的SiP功率应用，将多芯片四边无引脚扁平(QFN)封装应用于高电感负 载。 ”熟练的RF设计者堪称无价之宝，特别是在RF产品封装领域。这里需要某种 “法术”以获得正确的设计。复杂RF电路的设计者转向SiP技术并不足奇，这业已 证明该技术十分具有成本效益，可将成品率问题分开考虑。这是因为RF电路可 以做在一个基底上，而SiP中的其他电子装置和组件可做在另一个基底上。射频简称RF射频就是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称。 每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于1000次的称为高频电流， 而射频

15、就是这样一种高频电流。有线电视系统就是采用射频传输方式的在电子学理论中，电流流过导体，导体周围会形成磁场；交变电流通过导 体，导体周围会形成交变的电磁场，称为电磁波。在电磁波频率低于100khz时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传 输，但电磁波频率高于100khz时，电磁波可以在空气中传播，并经大气层外缘 的电离层反射，形成远距离传输能力，我们把具有远距离传输能力的高频电磁 波称为射频，英文缩写：RFSkyworks Solutions作为提供RF SiP产品的最大、最成功的公司之一，为RF 通讯应用提供封装在SiP中的直接正交调制器。例如，其栅格阵列(LGA)完全将 GSM/GPRS无线

16、收发装置集成在单个的封装中。它的大小和美国一角硬币相 仿，为蜂窝应用将无线收发装置尺寸缩小了三分之二以上。Anadigics提供了一种全新的SiP情况，将RFIC、功率放大器、开关以及其 他相关的电子装置和组件与散热器、微处理器/控制器、电容器、电感器以及滤 波器集成到一个单独的模块中(图8)。该公司宣称其方法比SoC设计更具成本效、人益。无论是裸片还是业已封装，所测试过的芯片的可用性和成本对于在SiP中堆叠混 合类型器件而言都是巨大的商业挑战。芯片供应的管理、测试和老化以及成品 率，都是供应链中重要的问题。Tuckerman指出，封装公司通常处于协调此供应 链正常运转的最佳位置。选择正确的组

17、装设备踢开了SiP发展的另一个绊脚石。2004年美国国家电子 制造促进会(NEMI)SiP活动要求未来的贴装设备可处理晶片格式的芯片，精度 为15微米，每个贴装成本小于0.5美分。但是，行业中目前的组装设备无法满足 这一目标。SiP封装行业正在解决此问题。另一项挑战是在考虑利润率的前提下，合并EMS和SAS部门的业务模式。SAS部门通常希望比EMS部门获得更高利润率，因为它使用标准制造环境。因 为需要洁净工作间和研发费用，因此前一组必须考虑更高的日常管理费用。STATSChipPac 在合并 ST Assembly Services 之后，相信自身定位可满足上 述众多挑战。该公司是一家重要的SiP制造商。