系統級封裝技術及其應用

李振華+劉小剛+楊寧

摘要：系統級封裝（System in Package，SiP）技術能夠將不同種類以及功能的電子元器件集成到一個系統中，形成一個完整的系統，這是一項前景廣闊的技術。其優點也十分顯著：設計編輯、制作周期短、有較高的兼容性等等，已經得到越來越多的使用。本次文章通過SiP技術的了解，探討了該技術的發展與應用。

關鍵詞：系統級封裝；SiP關鍵技術；技術發展；技術應用

1 引言

在早起的封裝理念中，將芯片組裝在密封的容器內，容器的材質有金屬、塑料等，使芯片能夠正常與外界的機械、電、熱關聯上，并保證功能正常運轉。現如今封裝技術迅猛發展，使得市場對其的要求也越來越高，體積小、耗能低、功能多、速度快已經成為目前的發展趨勢。市場上常見的電子產品，尤其是可便攜式的產品，都要求微小化，同樣，在軍工產業也需要微小化。這種趨勢又進一步促進了技術的發展，業內相關商家對此的關注度也越來越高，開發的商家也呈現幾何倍數的增長。這就是最近幾年系統級封裝技術得意迅猛發展的原因。

在IC封裝領域，SiP是一種內涵豐富、優勢突出的先進封裝，主要歸納為以下幾點：

（1）實施系統集成。多個集成電路芯片和分立器件和無源元件集成在一個封裝中，并且可以堆疊在多個裸芯片上，并且可以在有多個封裝體的情況下，直接進行堆疊和嵌入；

（2）對于不同工藝、不同功能的芯片，可以實現完美的兼容，達成高效可靠的單芯片級進入系統級異質集成

（3）它有效地解決了SOC不能集成模擬、射頻和數字功能的問題；

（4）在一個封裝體內組裝了各種IC芯片、無源元件，能夠實現系統的功能。這是是縮小尺寸、提高集成度的有效途徑。使得成本大幅度降低，并節省時間成本。

基于系統級設計思想的SIP方法內涵豐富，涉及集成芯片、系統、封裝結構、材料、組件等諸多問題。這是一個非常寬泛的概念。隨著技術的發展，其內涵和概念將不斷擴展和完善。

2 SiP關鍵技術

SiP的互連可以是單純的引線鍵合、倒裝焊以及二者的結合，還有硅通孔等技術。以下介紹目前SiP的關鍵技術。

2.1 高密度互連基板材料

組成SiP系統最重要的基礎部件就是基板。它不僅提供機械支持和電氣互連，而且還可以將無源組件埋置起來，大大提高系統的封裝效率。目前基板的材料主要是兩類：有機高分子材料和低溫共燒陶瓷（LTCC）。它們的特點是層數多、密度高，能夠最大限度的集成各種元器件。但是，這兩種材料也是各有優缺點。

有機高分子材料是一種200-300攝氏度的低溫工藝，生產成本低、穩定性強、瑕疵率很低，適合大規模生產。它的適用面非常廣泛，幾乎可以完美兼容集成所有材料。但是缺點也很明顯，它的精度方面還是存在一些問題，導致其在無源器件集成方面無法有效的達成。

LTCC的玻璃含量較高，可高達50%，并且非常容易集成無源元件。具有非常優良的高頻特點，功率損耗也非常小，是目前性能最好的材料，已經成為眾多廠家的首選，比如航天科技、電子通訊等等領域。但是其制作成本很高，并且瑕疵率也很高。在應用方面與有機高分子材料相比，不夠廣泛。

因此，兩種材料各有各的特點，在選取的時候應該根據實際情況擇取。

2.2 芯片的互連方式

連接芯片有很多種方法，如引線鍵合、磁帶自動焊接、倒裝焊（FC）、硅通孔（TSV）等，FC和TSV是一種新的互連方式。傳統的封裝互連主要是通過引線鍵合和載帶自動焊實現的，其中引線鍵合仍是互連的一種重要方式。

隨著SiP的發展，現在采取FC技術，它比傳統引線鍵合更有優勢，體現在信號傳輸路線更短，容易實現微小化封裝，系統更加穩定。

另外一種新互連方式是TSV，它主要是實現芯片兩面的電連接。最終滿足器件的高頻特點。

2.3 無源組件集成技術

無源組件是系統內重要的組成部分。將無源組件集成之后，能夠顯著提高整個系統的穩定可靠性；同時將體積縮小，能夠大大降低成本。主要有三種方式：分立式就是直接將封裝好的組件組裝到系統中，其優點是制作工藝很成熟，劣勢也十分明顯，那就是整體的集成度偏低；集成式就是可以在系統中直接將無源組件整合組裝進來；埋置式是在基板內部直接進行無源組件的制作，使得互連和效率達到最大化。

內埋置無源組件技術已經成為目前眾多相關廠家的研究重難點。它在無源器件上已經相對成熟。在未來最大的挑戰是有源芯片的埋置結構。

2.4 三維封裝與組裝技術

SiP沒有固定的結構形態，在芯片排列方式上可以是平面的封裝，也可以是三維立體的封裝。就目前而言，平面封裝已經很難滿足SiP日漸復雜的系統，因此必須加入垂直維度，使用三維立體方式來進行封裝。目前三維立體封裝已經逐漸成為主流技術。三維立體封裝類型一共有三種：埋置型、有源基板型、疊層型。其中最常用的方法是疊層型，它是在平面封裝的基礎上，將多個組件進行垂直連接，組成三維立體的封裝。

2.5 SiP可靠性技術

SiP技術不僅需要考慮到制作成本、制作工藝，最重要要考慮到產品的質量與可靠性。目前在可靠性方面也面臨一些嚴峻的挑戰，比如焊點可靠性、薄芯片的機械特點等等。關于

可靠性研究主要包括失效分析、可靠性試驗與評估、過程控制和可靠性設計。

3 國內外SiP技術發展及應用

3.1 在國外的發展及應用

SiP技術最先開始研究的國家是美國，美國在半導體產業中擁有非常完成的體系，在對SiP擴展市場方面有很大的優勢。此后，歐盟、韓國等擁有半導體產業的國家紛紛加大對SiP的投入。目前，公認的處于技術頂尖地位的機構是美國的喬冶亞理工學院封裝研究中心。

國外許多機構已經開始關注缺陷診斷和故障分析技術。例如，Infineon公司通過采用大電流FIB對SiP進行缺陷分析，飛利浦利用半導體激光刻蝕技術制作SiP得到暴露的缺陷。過激光刻蝕技術和FIB技術的結合，最后制作完成SiP樣品，這已經在國內外得到了廣泛的推廣和應用。endprint

3.2 在國內的發展及應用

近年來，我國對SiP的研究進展緩慢。對其可靠性的研究僅處于模擬階段，相關缺陷診斷和故障分析技術的研究還很少。許多研究機構正密切關注世界的新趨勢和新建議。同時，結合國內產業現狀，提出了適合自身發展的SiP技術的研究方向。

不少企業在系統級封裝及測試領域進行了研發，長電科技、南通富士通、天水華天等在SiP的封裝設計上，包括電、熱、可靠性各方面，并且在TSV技術上的研究都有了顯著成果。目前國內對SiP技術作重點研究和開發的機構有中科院微電子所、清華大學、北京大學、工業和信息化部電子第五研究所等。在國家02專項的支持下，中科院微電子所聯合多家研究機構，對SiP開展了各項研究工作，成為國內研究SiP技術的主力軍，已經在3DSiP封裝設計、TSV工藝等研究上取得了進展。

許多企業已經在系統級封裝和測試領域做了研究，長電科技、南通富士通、天水市華天在SiP的包裝設計，包括電力、熱、可靠性，和TSV技術的研究取得了顯著成果。目前，在中國的SiP技術的研究和開發的重點是微電子研究所、中國科學院、清華大學、北京大學、工業和信息化部電子第五研究所等。在國家02專項支持中，微電子聯合多家科研機構所開展的研究工作基于SiP開展深入研究，SiP技術成為國內研究的主要力量，已經取得一些成果和認識，比如在3DSiP包裝設計等等等。

4 結論

隨著人們對便攜式產品需求的不斷增加，SiP技術在各個領域得到了廣泛的應用。特別是在無線通信領域，如WiFi、藍牙；醫療設備，如膠囊內鏡；和CMOS圖像傳感器，數碼相機和軍事設備（如雷達系統）。SiP越來越成為半導體行業的擴張的重要支持技術，其發展將對整個電子產品市場產生巨大的推動作用。然而，介于其復雜性，在設計和加工技術上提出了更高的要求，其可靠性是業界關注的焦點。SiP需要故障分析來解決設計和處理問題。但無論如何，SiP都是擁有廣闊的前景，為我國的半導體事業做出卓越貢獻。

參考文獻

[1]龍樂.系統封裝技術及發展[J].電子與封裝，2004，（02）：15-19

[2]龍樂.電子封裝技術發展現狀及趨勢[J].電子與封裝，2012，12（01）：39-43

[3]陳貴寶，閻山.系統級封裝技術現狀與發展趨勢[J].電子工藝技術，2007，（05）：273-275+279.endprint