SiP(系统级封装)技术的应用与发展趋势(上)

美国Amkor公司 ChriStopher M．Scanlan和Nozad Karim

一、SiP技术的产生背景

系统级封装SiP(System-In-Package)是将一个电子功能系统，或其子系统中的大部分内容，甚至全部都安置在一个封装内。这个概念看起来很容易理解，熟悉封装技术，又对电子装置或电子系统有所了解的人们一般都能够理解SiP的含义。但是如果试图对SiP使用严格的名词术语，进行精确的定义，却非常困难。SiP这一术语出现至今，虽然已经有好几年了，但是仍然没有，能够被广泛认同的定义；一般只是指出其包含的内容，或者指出其所具有的特征。Amkor公司认为SiP技术包括以下内容，或具有以下特征：

●SiP技术应包括芯片级的互连技术。换句话说，即它可能采用反转芯片(nip-chip)键合，引线键合，TAB，或其它可直接连接至IC芯片的互连技术。但是很明显它并未将小型SMT线路板的装配技术列入SiP技术的范畴。

●一般地说SiP技术在物理尺寸方面力求小型化。

●SiP中经常包含有无源元件。这些无源元件可能是采用表面安装技术安置的分立元件，也可能是被嵌入在衬底材料上，或者甚至就是在衬底材料上制作的。

●通常包含有若干个IC芯片。

●SiP系统通常是功能比较完整的系统，或子系统。因此，系统级封装内也可能包含有其它的部件，例如：基座，顶盖，RF屏蔽，接插件，天线，电池组等。

人们经常把SiP与当前的热门课题二系统级芯片(SoC)相提并论。尽管SoC具有许多优点，并且也一直是若干年来，许多IC制造厂商集中努力的方向；但是从本质上讲，SoC所遇到的最大限制是工艺的兼容性，即在加工过程中晶圆的所能够累计兼容的加工工艺种类。因此不难看出，SoC上所能够集成的系统功能，也将受到SoC设计中所能够集成进来的IC类型的限制。另外，由于某些加工工艺的要求是互相矛盾的，为了兼容不同的工艺往往需要作出一些折衷平衡，不能使各部分功能部件的性能发挥到极点，因此SoC往往不能达到可能的最佳性能。而SiP则没有这样的限制。所封装的各种类型的IC芯片都可以分别采用最佳的工艺制作，不同工艺类型的IC芯片一般都可以很容易地封装在一起(例如CMOS的数字IC，和GaAsHBT射频IC等)。

从市场需求角度来看，以下因素在推动着SiP迅猛发展。它们是：

●产品尺寸的小型化。将众多IC芯片和零部件一同封装在一个封装内可以显著地缩小系统或子系统的尺寸。

●缩短上市时间。SiP的开发与加工时间比SoC要快得多；如果需要改进也可以很快实现。而对于SoC则会“牵一发而动千钧”，无论是设计开发,加工制造，或者修改都十分困难。SiP在系统级线路板层次进行调试和查错，也容易得多，这在RF应用方面，(例如对于无线电话手机的应用)具有重要意义。

●采用SiP实现方案时，由于将系统母板上的许多复杂的布线转移到封装的衬底上去解决了，因此显著地降低了母板的复杂程度。通常可以减少母板的层数，简化整机系统的设计。

●某些性能得以提高。例如，由于在SiP内部缩短了逻辑线路与存储器之间的距离，因而ASIC，CPU与存储器之间的数据传输速率得以提高。另外，由于缩短了IC芯片之间连接线的长度，减少了电容负载，从而使得功率消耗也得以降低。

●对于RF与无线应用的SiP，其封装在本质上就是其线路的一部分；因此封装设计，以及封装材料的选择寸附口RF的线路功能密切相关。

●对于一些完整的，可以“即插即用”的SiP解决方案，例如蓝牙或照相功能模块；系统整机设计人员几乎可以毫不费力地就将它们加进系统中去。

●降低整个系统的成本。一般说来经过优化的SiP解决方案，与采用分立器件的方案相比，一般都可以明显地降低整机的成本。

●采用SiP以后，系统设计人员一般都可以分别优化各个IC芯片的加工工艺，最充分地发挥各个芯片的性能特点。SoC和SiP是互相排斥的，但是SiP在IC的功能划分方面，具有更大的灵活性，可以更好地优化性能，降低成本。

二、SiP的应用

SiP技术是在继承SMT和IC两种技术的基础上发展起来的；它从两方面都有所借鉴。虽然MCM和SiP技术也存在一些共同之处，但是在历史渊源方面，实际上SiP无论是和混合集成电路，或者和高性能MCM的开发历史寸p没有什么共同之处。当人们一想到混合集成电路就会联想到模块，并且会想到这些模块通常采用价格不菲的陶瓷衬底；同时也会想到这些模块的产量都不高，多芯片模块MCM(MuhiChipModule)技术，以前一直都仅仅应用于高性能整机产品，例如被富士通或IBM的大型计算机系统中的CPU所采用。这些类型的MCM一般都非常复杂，而且价格也非常昂贵。例如，IBM 4300计算机所使用的MCM，采用的是玻璃陶瓷的衬底，有40多层，MCM中包含有25种IC。

SiP并没有从混合集成电路或者MCM技术的历史上借鉴了多少。它更多地是在大批量，低成本的主流IC装配生产技术，和表面安装技术的基础上发展起来的。它采用IC装配技术，将IC芯片连接到SiP衬底上，采用SMT技术将无源元件以及其它和SMT技术兼容的零部件(例如接插件)安置到SiP衬底上。

SiP在工业界的应用越来越广，但是SiP一般都是尽可能地利用现有的技术(材料，设备，和工艺流程)，以保持SiP的低成本优势，支持大批量生产。

2．1 SiP在RF／无线电方面的应用

当今的无线电市场，在很大程度上受到无线电话产业的推动。产品的成本，尺寸，性能以及上市时间则是主要的推动因素。许多公司例如爱立信和摩托罗拉公司都在改变其垂直生产系统，在为其电话手机的生产寻找另外的生产基地。随着外加工OEM日益增加，以及随着中国市场的兴起，出现越来越多的在中国制造的产品，手机的制造对于生产人员在工程技术水平方面的要求也越来越低。并且手机本身为了适应2．5G和3G的要求，又需要支持比较高数据传输速率，还需要增加蓝牙之类的应用功能；最后还要求在增加功能，提高性能以后仍能保持成本不上升；同时在更小的体积内实现同样功能，达到同样或更好的性能。在更短的时间内引入更小，更鼠更轻，同时又具备功能更多的产品，已经成为生产厂家必须保持的竞争优势。

此外，由于蓝牙目前在手机中越来越多地被广泛采用，它本身也需要能够达到市场对手机的要采同时，如果把蓝牙作为一个单独的无线产品来观察，它对成本的要求也十分敏感。目前市场上出现的蓝牙产品，它们所采用的SiP大致可分为以下三种类型：

1．SiP中仅仅包括RFIC。 在这种情况下，蓝牙的DSP功能部分被划分在手机的基带线路内，而将蓝牙的RFIC部分单独封装；

2．全部功能的单芯片或多芯片SiP是将RF,基带功能线路，以及快闪存储芯片都封装在一个SiP模块内。在这种情况下，根据IC划分的区别，SiP的解决方式也不相同，又可以有许多种解决的方案；

3．天线也包括在内的即插即用方案。这种解决方式比较适合于对RF技术经验比较少，而又希望在手机上安装蓝牙的OEM用户。由于大多数蓝牙的解决方案，都是采用CMOS工艺技术设计的，需要对发射和接收部分的I／O仔细安排。为了防止互相之间出现不良的影响往往需要安装屏蔽和带通滤波器，以便既能够实现蓝牙的功能，同时又能够满足无线电管理部门的规定要求。 除了手机以外，还有一些其它的整机产品也需要安装蓝牙模块。如果这些应用产品的开发人员对于RF技术的经验也比较少时，同样也要求蓝牙，能够成为一个独立的无线电部件。这样用户就能够十分方便地加以利用了。这时，就要求能够将天线，屏蔽部件，支持线路，以及芯片都能够包括在一个封装内。这样的蓝牙部件，现在正在开发之中，Amkor公司正在和客户一起共同开发这方面的产品。

目前无线电话手机的发展趋势，是实现模块化。首先将手机的零部件集成为3-4个模块，然后再逐步集成成为一个手机模块。手机厂商一般都首先考虑，将SiP应用在发射部分的功率放大级PA。以前的PA解决方案都是应用分立器件，而将阻抗匹配线路和控制线路安置在母板上。当前的SiPPA解决方案，一般都将匹配阻抗做在SiP以内。并且SiP能够提供适合RF应用的I／O。这样可以显著地简化整机制造中的操作，避免不必要的返修。所采用的衬底既有陶瓷，也有多层线路板。但是从发展趋势看，人们倾向于采用多层板。预计不久就会将屏蔽部件，也集成在PASiP内，以进一步简化装配操作，减少后勤供应工作量。

在完成PA集成以后，不少厂商希望对手机中的基带功能线路进行集成。集成的基带模块一般包括有基带引擎，SRAM，闪存，BAI，以及一些无源元件。要求在手机的前端模拟线路改变时，能够迅速组成并提供相适应的引擎功能线路。将芯片叠加主要是为了减少面积。可以根据对散热与布线的情况，将2-3个芯片相叠加。这种解决方案可以将大多数系统的布线转移到基带SiP中去了，因此SiP可以采用节距为1．0或1．27 mm的较大的BGA封装，以取代为单个分立器件提供的节距为0．5-0．8 mm的BGA封装。这样可以降低OEM厂商对装配的技术要求，减少母板的复杂性，降低母板成本。

下一步工作将是针对整个发射和／或接收部分进行集成。估计仍然需要分为接收与发射两部分，以保证充分的隔离。Amkor公司已经开发成功内嵌屏蔽的模块，既可以满足线路隔离的要求，也能够满足无线电管理部门的要求。由于RF线路的复杂性，以及OEM厂商希望将"RF技术”的专业知识保留在公司内，不外传。这部分工作一般是手机集成工作的最后一步。进行这项工作需要对衬底材料的RF微波性能，对嵌入的无源元件，对元件结构，以及对可能影响装配与测试的一切线路的设计技术，都具有比较深入的了解。

2．2在传感器方面的应用

以硅为基础的传感器的应用最近发展十分迅速，应用范围也日益广泛，包括生物测量传感器(例如指纹识别传感器)，CMOS成像敏感器件，MEMS传感器，例如加速度计等。在越来越多的便携式电子产品中，例如手机和PDA，96集成有传感器。在这些应用中尺寸小，成本低，以及便于集成等特性，对于传感器集成的成功与否十分关键。OEM厂商一般希望能提供一个可以“即插即用”的模块(即一个完整的子系统)；在其中不仅包括传感器本身，还包括其所需要的控制芯片和线路。

目前较好的CMOS成像传感器，在一个单独的传感器芯片上可以具有3．17兆象素。通常的CMOS传感器芯片是安装在独立的封装内，例如Amkor公司的型号为VisionPakLCC的封装(参看图2)内。此封装在作为一个无外引出线芯片载体的同时，又为敏感器件芯片提供了一个清晰透明的保护盖。对于驱动器IC则需要另外有一个单独的封装，并且对于透镜组则必须由OEM厂商来进行设计与安装，或者由第三方的装配分包商来承担。

2003年在许多便携式电子产品中(例如手机中)安装了CMOS成象传感器。这些应用必须降低成本，缩小体积。也要求能够简单地将此照相模块直接插入手机的母板。采用SiP技术可以将透镜组合集成到标准的VisionPakTM封装上去。这样的优点是可以比较容易地实现传感器芯片和透镜组合之间的精密对准，安置；并且可以简化透镜焦距的调整工作。此外，还能够将驱动器IC和其它的无源元件一起，都安装在SiP衬底的底部。如果增加一个柔性的连接器就可以很容易地被安装到手机母板中去了。

2．3 SiP在网络与计算技术方面的应用

高速数字器件采用SiP封装技术也可以获得许多类似的好处。在网络／计算技术等方面的许多应用中往往要求将ASIC或者微控制器，和存储器集成在一起。例如，在PC芯片集中的图形处理模块内，通常包括有图形控制IC和2片SDRAM。现在的绝大多数图形处理模块在生产中都采用标准的MCM—PBGA方式的封装。这种方式从封装的角度考虑的确成本比较低，但是对于存储器来说却并不很适合。因为SDRAM器件需要100％地进行动态老化。但是，目前还没有研究出可以在芯片切割以前，在晶圆上对SDRAM进行动态老化的既有效而且成本又低的方法；因此大多数供应商销售的SDRAM晶圆，只进行过静态老化。因此，当SDRAM裸芯片被安装在MCM-PBGA封装中时，有相当比例的芯片可能是不合格的。而在MCM中一般是不能够直接对DRAM进行测试的，只能够在器件的最终测试时，通过图形处理芯片对DRAM进行测试。由于同样的理由，也不能够单独对图形处理芯片进行完整的测试。因此在对模块进行最终测试时，很难准确地确定系统失效的根源。

在互联网路由器中的分组交换应用装置中，通常有一个引出端很多的ASIC，需要和多达8个SDRAM器件进行通信。按照传统的制造方法，线路中的这块ASIC是封装在其独自的高性能，散热条件良好的，采用翻转芯片键合连接的BGA封装内的。这种封装可以具有多达1400个引出端，引出端的节距为1．0mm。而存储器的封装则一般都是采用标准的TSOP封装，和ASIC器件一起，并围绕着ASIC，一起安置在母板上。此外，还有大约100多个无源元件也一同被安装在母板上，形成完整的子系统。这种解决方式占用了相当大的母板面积。同时整个子系统的信号完整性问题，以及存储器与ASIC之间的通信有关联的时序问题都需要在母板安装阶段，由系统设计人员来解决。随着路由器的复杂性日益增加，使得母板的复杂程度与成本越来越难于控制，以至于无法接受。针对这一情况，Amkor公司近来成功地开发了一种SiP解决方案，如图4所示。该SiP将ASIC按照通常的翻转芯片方法安装在SiP衬底上。存储器则分别采用FBGA封装。并且在存储器封好以后，被安置到SiP以前，先进行测试和动态老化；然后再采用常规的SMT技术，将它们安置在ASIC周围的SiP衬底上，和ASIC安置在同一侧。去偶电容器以及其它的无源元件也都同样被安置在SiP衬底上。这样可以避免由于采用传统MCM设计所导致的芯片成品率损失。同时，由于所有ASIC与存储器之间的布线都被分配在SiP衬底的第一与第二层，而不是安排在母板上，信号的延迟因而得到了改善。此外，由于ASIC与存储器之间的连线都在SiP的衬底上解决了，系统母板的面积可以减少，导电层数也可以减少；因此由于母板的复杂程度降低，导电层数减少，母板的成本也得以明显降低。同时，SiP解决方案还显著地节省了母板的面积，使在同样面积的母板上可以集成更多的功能。并且SiP可以作为系统中的一个单独的功能块，可以毫不费力地被安置在同一系列的其它新设计的整机系统中去。

需要指出，在对SiP的成本，和其它采用单独封装的，功能相当的IC集的成本进行比较时，应该从整个系统的成本着眼。虽然SiP的成本比较高，但是，系统的成本，由于缩小了母板的面积，从而节约子母板成本；缩小了系统的体积，简化了系统的安装操作，减少了系统的返工与维护费用，从而节约了系统的成本。因此在进行方案对比时，这些因素也都必须考虑在内。

2．4应用于其它高速数字产品的SiP

应用于高速数字产品的SiP技术，可以提高系统的性能。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元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者安置终端电阻以改进器件的性能。安置在电源线与接地环路之间的去偶电容器，可以减少地线的反弹，从而减少位错率。所安置的去偶电容器的大小十分重要。安置在标准BGA封装上的这些去偶电容器一般采用标准的SMT技术安装。在标准的半导体封装内采用SMT技术安置片状元件，系统设计人员能够将一个完整子系统(包括一组芯片集，再加上所有的其它无源元件)整个地安装在一个SiP—PBGA内。由于使用一个SiP-PBGA封装代替了所有其它的单个封装，结果节约了系统总成本。同时也改善了系统的性能。由于大多数信号完整性问题，可以在封装内得到控制；从而减少了系统设计人员的工作量。xDSL芯片集，DSP芯片集，以及图形控制功能模块都倾向于采用SiP-PBGA封装。

利用SiP-PBGA封装技术，再利用先进的互联技术可以将芯片叠加进行封装。例如xDSL子系统，它的芯片集共包括4个芯片，其中两个尺寸完全相同，另外还有大约十多个无源元件。这个完整的子系统可以整个地安装在一个35 mm的SiP-PBGA封装内；如果再将两个大小相同的芯片叠加起来，可以进一步采用更小尺寸的27mm的SiP-PBGA封装。这样不但降低了成本，还减少了占用的母板面积，缩小了系统的体积。

(注：本文共分为四节。其余：“三，SiP的设计与制造；和四，小结”等两节在下期刊登。)