系统级封装_SIP_技术及其应用前景

趋势与展望

OutlookandFuture

系统级封装(SIP)技术及其应用前景

韩庆福,成立,严雪萍,张慧,刘德林,李俊,徐志春

(江苏大学电气与信息工程学院,江苏镇江212013)

摘要:随着各种半导体新工艺与新材料水平的不断提高,先进的封装技术正在迅速地发展。本文综述了先进的系统级封装(SIP)技术的概念及其进展情况;并举例说明了它的应用情况,同时指出,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。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、降低成本和提高集成度,掌握这项新技术是进入主流封装领域之关键,有其广阔的发展前景。

关键词:系统级封装;片上系统;技术优势;应用前景

中图分类号:TN405 97 文献标识码:A 文章编号:1003-353X(2007)05-374-04

TechnologyofSysteminPackageandItsApplicationsProspects

HANQing-fu,CHENGLi,YANXue-ping,ZHANGHui,LIUDe-lin,LIJun,XUZh-ichun

(InstituteofElectricityandInformation,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

Abstract:Withhigherstandardofthenewsemiconductorprocessesandmaterials,theadvancedpackagetechnologyisdevelopedrapidly.TheconceptanddevelopmentofSIP(systeminpackage)aredescribed,itsadvantagesarestated,itswideapplicationsareilluminated.ItispointedoutthatSIPistheintegratingresultofknowledge,techniqueandprocessinICindustry.SIPcanfurthestoptimizethesystemproperty,avoidtherepeatofpackage,shortenthedesignperiod,cutthecostandraiseintegration.MasteringSIPisthekeyforenteringthemainstreamofpackagefield,andthedevelopmentprospectsaregreat.

Keywords:SIP;SOC;technologiessuperiority;applicationprospects

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)、

基金项目:江苏省高校科研成果产业推进工程计划项目(JHZD06-42)

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

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短、成本低[1。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、

2007年5月

374 半导体技术第32卷第5期

趋势与展望

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

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的半导体技术[4。

OutlookandFuture

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。

图1 富士通设计的八芯片堆叠式多芯片封装

(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;

SemiconductorTechnologyVol 32No 5

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

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技术优势[7。

(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

May 2007

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