|
１ 引言
随着无线通信、汽车电子和其他消费类电子产品的快速发展，微电子封装技术正面临着多功能、小型化、便携式、高速度、低功耗和高可靠性发展趋势带来的严峻挑战。一些电子产品正在发生着日新月异的变化，如市民外出携带笔记本电脑和手机、旅游和休闲途中欣赏手机电视等等。可见便携式和高性能已成为电子整机系统的重要研发方向，这就要求用于电子整机系统的集成电路（ＩＣ）也须多功能、微型化。ＩＣ的发展在一定程度上概括为一个集成化过程。２０世纪ＩＣ的封装形式虽然历经了双列直插式封装（ＤＩＰ）、小外廓封装（ＳＯＰ）四边引线扁平封装（ＱＦＰ）、焊球阵列封装（ＢＧＡ）和芯片尺寸封装（ＣＳＰ），但为满足产品轻、薄、短、小以及与系统整合的需求，各种式样的封装技艺推陈出新。近年来发展迅速的系统级封装利用成熟的封装工艺集成多种元器件，即在一个封装体内组装多个ＩＣ芯片和不同类型的元器件，构成复杂且完整的电子系统。它与片上系统（ＳＯＣ）互补，能够实现数／模混合系统集成，且设计灵活、周期短、成本低［１-３］。基于此，本文主要对ＳＩＰ技术的研发和进展情况做出专门的讨论。
２ ＳＯＣ与ＳＩＰ的工程概念
２.1 ＳＯＣ与ＳＩＰ的区别与联系
ＳＯＣ将系统多种功能集成在单一芯片上，并加以封装便形成了一个系统级器件。一般将多处理单元（ＭＰＵ）、数字信号处理器（ＤＳＰ）、图像处理、存储器和逻辑电路集成在一块１０ｍｍ×１０ｍｍ或更大的芯片中。这种芯片包括专用集成电路（ＡＳＩＣ）系统，可以满足网络服务器、电信转换站、多频率通信系统和高端计算机的应用需要。但由于ＳＯＣ需要全新的设计理念、低功耗设计、硬件与软件联合设计、可复用知识产权产品（ＩＰ）核及其设计验证等，故人们对预期的集成度和尺寸目标并无现成的解决方案。当ＳＯＣ的特征尺寸达到亚微米后，将模拟、射频（ＲＦ）和数字功能整合在一起的难度亦随之加大，于是ＳＩＰ便应运而生。
ＳＩＰ是基于ＳＯＣ的一种新型的封装技术，它将一个或多个裸片及无源器件构成的高性能模块封装在一个壳体内，包括将这些芯片堆叠在一起，并具备一个系统的功能，从而使封装由单一芯片进入系统级芯片。因此，ＳＩＰ是一种实现系统级芯片集成的半导体技术［４-６］。
２.２ ＳＯＣ与ＳＩＰ各自技术优势之比较
ＳＯＣ在系统集成中有其存在和发展的空间，在某些情况下ＳＯＣ是最佳的选择，但它并非所有电子系统集成方案中的优选芯片。有关ＳＯＣ模式，现已有越来越多的负面效应，而ＳＩＰ则往往比ＳＯＣ系统开发成本更低、周期更短和／或性能更优良的技术优势［７-８］。
（１）采用ＳＯＣ系统集成时会遇到可复用ＩＰ技术上的种种障碍，例如：ＩＰ的法律问题，将数字、模拟、ＲＦ和微波信号集成在同一芯片上的兼容问题。故高集成度ＳＯＣ的设计复杂、周期长、成本高。但运用ＳＩＰ技术时，集成成熟的元器件大大缩短了设计周期。为满足不同的设计要求，可以更换不同的元器件，使设计更具灵活性。采用ＳＯＣ不但承担一定的风险且要花几个月时间方可完成的工作，若改用ＳＩＰ只需几周就可完成。较短的时间和较低的成本促进了ＳＩＰ的发展。
（２）集成问题。通常高密度内存和模拟器件很难完全集成在ＳＯＣ中，而ＳＩＰ却将它们整合在一起。如多芯片堆叠三维封装体内的系统集成，垂直于芯片表面方向上的堆叠，互连两片以上的裸芯片封装，其空间占用小，电性能稳定（如图１所示）或将混合集成的无源器件封装于ＱＦＰ或微型封装（ＴＳＯＰ）内，有效地减少了印刷电路板（ＰＣＢ）的尺寸，从而提高了组装密度。
（３）在高密度系统集成中，如手机集数字、模拟和ＲＦ信号于一体，电磁干扰（ＥＭＩ）将会成为ＳＯＣ的一个非常棘手的问题，而ＳＩＰ则能够屏蔽产
生噪声干扰的元器件。
（４）薄膜互连。高密度互连是ＳＩＰ中必不可少的工艺。ＳＩＰ采用多层互连硅片，减少了所用ＩＣ芯片的互连层数，利用薄膜互连可以与现有的微电子
制造技术兼容，工艺精度较高。
３ ＳＩＰ的关键工艺技术
ＳＩＰ的技术要素是封装载体和组装工艺，它与传统封装结构不同之处是与系统集成有关的两个步骤：系统模块的划分与设计、实现系统组合的载体。传统封装中的载体（即基板）只能起互连作用，而ＳＩＰ的载体包括电路单元，属于系统的组成部分。
３.１ 系统模块的划分与设计
模块的划分指从电子设备中分离出一块功能模块，既利于后续整机集成又便于ＳＩＰ封装。以蓝牙模块为例，其核心是一块基带处理器，它的一端与系统ＣＰＵ接口，另一端与物理层硬件接口（调制解调、发送与接收、天线等）。从系统集成的角度考虑，应将基带处理器和物理层硬件封装在一个器件内。但从封装角度来分析，将天线包含在器件内会使器件体积过大，相比较而言，天线在系统电路板上更为实在。若要集成一个音频系统，则大容量电容更适宜作为模块的外围器件。
模块划分完成后就进入电路拓扑的设计阶段。由于ＳＩＰ的复杂性，对电路与系统的设计水平提出了更高的要求。需要系统设计、电路设计、版图设计、硅技术设计、测试和制造等工程团队合作实现最佳的性能、尺寸和成本要求。首先通过计算机辅助设计模拟ＩＣ芯片、功率和无源器件等参数及载体上元器件的布局和连线，然后设计高密度布线中须考虑的消除振荡、过冲、串扰和辐射，以及散热和可靠性；再者选择基板材料（包括介电常数、损耗、互连阻抗等），制定线宽、间距和通孔等原则；最后设计母板布线图。对于载体内无源器件的设计，需综合考虑无源器件的工艺限制（精度）、品质因数Ｑ和共振频率等。
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攀高。研发者除使用设计工具软件外，系统性能的数值模拟也要加入设计过程，比如高频电磁场、传热和可靠性模拟等。
３.２ ＳＩＰ载体
３.２.１ 高密度多层封装基板
ＳＩＰ封装使用的一类基板材料是目前ＢＧＡ封装中已普遍采用的有机多层基板，从技术成熟度和成本方面来说这类材料具有技术优势。但由于精度问题，集成无源器件有困难，未来的发展受到限制。但ＳＩＰ技术目前尚属早期研发阶段，实现ＳＩＰ的整体要求并不高，以原始技术实现的模块就已显现出优势，在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乃是表面安装技术（ＳＭＴ）所用的分立器件，应用有机基板在某种程度上占有主导地位。随着技术的发展和ＩＣ产业链的形成，有机材料的基板除非在工艺精度上有所突破，否则其市场份额还会逐渐减少。
另一类极具发展前景的封装材料是低温共烧陶瓷（ＬＴＣＣ）材料。它主要由一些玻璃陶瓷组成，其中玻璃含量超过５０％，其烧结温度较低（８５０～９５０℃），布线导体使用导电、导热及电阻率低的Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｇ等金属材料；高温共烧陶瓷（ＨＴＣＣ）则玻璃含量较少，在８％ ～１５％之间，其烧结温度在１２００～１６００℃，布线导体唯有耐高温的Ｗ和Ｍｏ才能适应，其烧结收缩不如ＬＴＣＣ易于控制［９］。由于ＬＴＣＣ玻璃成分的增加，降低了材料的介电常数，减少了电路功耗，且具有优良的高频性能，使其成为许多高频应用的理想材料。与大多数有机基板材料相比，ＬＴＣＣ能被更好地控制住精度。
３.２.２ 多层薄膜技术
该技术的特点是采用类似圆片加工的工艺方法和光刻技术。它的加工过程如下：制作高密度薄膜金属层→淀积薄膜介质层→在加工好的基板间敷设介质层和导线层→实现布线与互连。多层薄膜技术适合于集成和减小无源器件参数（Ｒ、Ｌ、Ｃ），以高重复性沉积制造电阻和电容元件的复杂材料。光刻技术保证了图形尺寸的高精度，使缩小器件尺寸成为可能，这也省去了“校准”电阻值或电容值的操作。通过电镀获得的铜导线正是制作高Ｑ值电感的理想选择，尤其可满足高频应用的需要。高精度无源器件来自薄膜互连中的光刻技术和受温度影响不大的衬底材料（硅、玻璃等）。
３.３ 芯片组装技术
在芯片组装方面，板上芯片（ＣＯＢ）和片上芯片（ＣＯＣ）是目前的主流技术。ＣＯＢ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和倒装芯片。引线键合技术简单成熟，但占用芯片周边面积，封装效率相对较低；倒装片效率高，采用下填料固化后可靠性亦有所提高，但需用倒装焊将上、下两面芯片直接焊接。与引线键合相比，倒装焊技术有直流压降低、互连密度高、寄生电感小、热特性和电性能好的优点。图２是一个典型的ＣＯＣ工艺过程，它是一种在单封装体中堆叠多芯片的结构，即叠层芯片封装技术。该技术使用一种超精细间距的微凸点将两个芯片表面（电路做在上面）的电极直接连接。ＣＯＣ以更短的布线在叠层芯片之间多点连接，故便于提高芯片之间的数据传输速度。
４ ＳＩＰ的实用技术与发展前景
４.１ 实用技术
目前ＳＩＰ可以将微处理器、存储器（如ＥＰＲＯＭ和ＤＲＡＭ）、现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）、电阻器、电容器和电感器组合在多芯片的封装体中。通过垂直集成ＳＩＰ可缩短互连距离，降低了信号延迟时间，减少噪音和电容效应，使信号速度更快，功耗更低。有时ＳＩＰ作为进一步开发ＳＯＣ的中间环节，最终将全部元器件合并到一个硅片上。这一优点特别是在蓝牙器件、手机、汽车电子、成像和显示器、数码相机和电源中已被广泛应用。ＳＩＰ适合这些应用的封装需要，与传统的ＩＣ封装相比，通常最多节约８０％的资产，并将重量降低９０％。归纳起来，ＳＩＰ的应用场合如下。
（１）ＲＦ／无线电方面。ＳＩＰ技术广泛用于电子信息产业的各个领域，但目前研究和应用最具特色的是无线通信的物理层电路。商用ＲＦ芯片很难用硅平面工艺实现，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含有大量的无源器件，而ＳＩＰ的技术优势在这些方面凸显了出来。ＳＩＰ封装利用了更短的芯片互连线的优势，使ＳＩＰ设计有着深远的意义：体积更小、功耗更低、速度更快、功能更多。例如全部功能的单芯片或多芯片ＳＩＰ将ＲＦ基带功能线路及快闪式存储器芯片都封装在一个模块内。集成的基带模块一般包括基带引擎、ＳＲＡＭ、闪存和一些无源器件（如图３所示）。要求在手机前端模拟线路改变时，能迅速组成并提供相适应的引擎功能线路。将芯片堆叠主要是为了减少面积，可以根据散热与布线的情况，将２～３个芯片相迭叠。
（２）传感器方面。以硅为基础的传感器技术发展迅速，应用范围广泛，例如生物测量传感器（如指纹识别传感器）、ＣＭＯＳ成像传感器、ＭＥＭＳ传感
器等。在这些应用中，具有体积小、成本低、集成度高等特性，这对于系统集成的成功与否十分关键。而ＳＩＰ技术实现了各种元器件和混合信号的集成，且具备系统体积小、灵活性和适应性强、成本低、开发周期短等特点，是实现微型传感器的有力手段。例如目前性能较佳的ＣＭＯＳ成像传感器，将它安装于便携式电子产品（如手机）中，采用ＳＩＰ技术可将透镜组合集成到标准封装内（见图４），这较容易实现传感器芯片和透镜组合之间的精密对准及安置，并简化了透镜焦距的调整工作，同时还将驱动器ＩＣ和其他无源器件一起安装在ＳＩＰ衬底上。
（３）网络和计算机技术方面。在网络／计算机技术等应用中，往往要求将ＡＳＩＣ或微控制器和存储器集成在一起。例如在ＰＣ中的图形处理模块内，通常包括图形控制ＩＣ和两片ＳＤＲＡＭ。现在绝大多数图形处理模块在生产中都采用标准的塑封焊球阵列多芯片组件（ＭＣＭ-ＰＢＧＡ）方式封装。这种方式从封装角度考虑成本低，但对于存储器却不合适。因为ＳＤＲＡＭ器件需要１００％地进行动态老化。ＳＩＰ减少了母板布线的层数和复杂性，同时提高了母板的空间利用率，可在有限的空间中集成更多的功能块。
（４）其他高速数字产品。随着开关速度的提高，芯片内核心区电压的降低，噪音成为器件性能的主要限制性因素。按照传统的方法在母板上安置无源器件解决信号完整性问题已经无济于事。对于采用标准引线键合的ＰＢＧＡ封装，可以在标准ＢＧＡ封装上添加去偶电容器或安置终端电阻以改进器件的性能。利用ＳＩＰ技术则降低了成本、减少了占用的母板面积、提高了系统的性能。
４.２ ＳＩＰ的市场前景
许多市场调研公司的调查表明，ＳＩＰ技术拥有广阔的潜在市场。例如ＳｅｍｉｃｏＲｅｓｅａｒｃｈＣｏｒｐ预测，生产商的ＳＩＰ合同收入将从２００２年的８２００万美元提高到２００７年的７.４７９亿美元。德国银行、瑞士信贷第一波士顿和美国著名的研究组织“商业情报联盟”的联合调研表明，ＲＦ、数字、蓝牙、电源和汽车应用等市场渗透将影响这一增长。事实上，“商业情报联盟”预计，仅ＲＦ市场的销售额就将从２００３年的１８亿美元飙升至２００７年的２７５亿美元。由堆叠式ＢＧＡ封装以及有源和无源组件构成的近１０亿ＳＩＰ已于２００３年上市，包括功率放大器、天线转换开关、发送器和前端模块等。
５ 结束语
ＳＩＰ是ＩＣ产业链中知识、技术和方法相互交融渗透及综合应用的结晶，它最大限度地灵活应用各种不同芯片资源和封装互连优势。ＳＩＰ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、降低成本并提高集成度，掌握这项新技术是进入主流封装领域之关键。目前全世界封装产值只占ＩＣ总产值的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，封装行业将会出现一个跳跃式的发展，这是中国发展具有ＩＰ核的大好时机。毋须置疑，ＳＩＰ技术不仅面临着更大的机遇和挑战，而且也孕育着更为广阔的发展空间。 |
用户登录 
新用户注册 
