美國Amkor公司 ChriStopher M．Scanlan和Nozad Karim

一、SiP技術(shù)的產(chǎn)生背景

系統(tǒng)級封裝SiP(System-In-Package)是將一個電子功能系統(tǒng)，或其子系統(tǒng)中的大部分內(nèi)容，甚至全部都安置在一個封裝內(nèi)。這個概念看起來很容易理解，熟悉封裝技術(shù)，又對電子裝置或電子系統(tǒng)有所了解的人們一般都能夠理解SiP的含義。但是如果試圖對SiP使用嚴格的名詞術(shù)語，進行精確的定義，卻非常困難。SiP這一術(shù)語出現(xiàn)至今，雖然已經(jīng)有好幾年了，但是仍然沒有，能夠被廣泛認同的定義；一般只是指出其包含的內(nèi)容，或者指出其所具有的特征。Amkor公司認為SiP技術(shù)包括以下內(nèi)容，或具有以下特征：

●SiP技術(shù)應(yīng)包括芯片級的互連技術(shù)。換句話說，即它可能采用反轉(zhuǎn)芯片(nip-chip)鍵合，引線鍵合，TAB，或其它可直接連接至IC芯片的互連技術(shù)。但是很明顯它并未將小型SMT線路板的裝配技術(shù)列入SiP技術(shù)的范疇。

●一般地說SiP技術(shù)在物理尺寸方面力求小型化。

●SiP中經(jīng)常包含有無源元件。這些無源元件可能是采用表面安裝技術(shù)安置的分立元件，也可能是被嵌入在襯底材料上，或者甚至就是在襯底材料上制作的。

●通常包含有若干個IC芯片。

●SiP系統(tǒng)通常是功能比較完整的系統(tǒng)，或子系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)級封裝內(nèi)也可能包含有其它的部件，例如：基座，頂蓋，RF屏蔽，接插件，天線，電池組等。

人們經(jīng)常把SiP與當(dāng)前的熱門課題二系統(tǒng)級芯片(SoC)相提并論。盡管SoC具有許多優(yōu)點，并且也一直是若干年來，許多IC制造廠商集中努力的方向；但是從本質(zhì)上講，SoC所遇到的最大限制是工藝的兼容性，即在加工過程中晶圓的所能夠累計兼容的加工工藝種類。因此不難看出，SoC上所能夠集成的系統(tǒng)功能，也將受到SoC設(shè)計中所能夠集成進來的IC類型的限制。另外，由于某些加工工藝的要求是互相矛盾的，為了兼容不同的工藝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發(fā)揮到極點，因此SoC往往不能達到可能的最佳性能。而SiP則沒有這樣的限制。所封裝的各種類型的IC芯片都可以分別采用最佳的工藝制作，不同工藝類型的IC芯片一般都可以很容易地封裝在一起(例如CMOS的數(shù)字IC，和GaAsHBT射頻IC等)。

從市場需求角度來看，以下因素在推動著SiP迅猛發(fā)展。它們是：

●產(chǎn)品尺寸的小型化。將眾多IC芯片和零部件一同封裝在一個封裝內(nèi)可以顯著地縮小系統(tǒng)或子系統(tǒng)的尺寸。

●縮短上市時間。SiP的開發(fā)與加工時間比SoC要快得多；如果需要改進也可以很快實現(xiàn)。而對于SoC則會“牽一發(fā)而動千鈞”，無論是設(shè)計開發(fā),加工制造，或者修改都十分困難。SiP在系統(tǒng)級線路板層次進行調(diào)試和查錯，也容易得多，這在RF應(yīng)用方面，(例如對于無線電話手機的應(yīng)用)具有重要意義。

●采用SiP實現(xiàn)方案時，由于將系統(tǒng)母板上的許多復(fù)雜的布線轉(zhuǎn)移到封裝的襯底上去解決了，因此顯著地降低了母板的復(fù)雜程度。通?？梢詼p少母板的層數(shù)，簡化整機系統(tǒng)的設(shè)計。

●某些性能得以提高。例如，由于在SiP內(nèi)部縮短了邏輯線路與存儲器之間的距離，因而ASIC，CPU與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸速率得以提高。另外，由于縮短了IC芯片之間連接線的長度，減少了電容負載，從而使得功率消耗也得以降低。

●對于RF與無線應(yīng)用的SiP，其封裝在本質(zhì)上就是其線路的一部分；因此封裝設(shè)計，以及封裝材料的選擇寸附口RF的線路功能密切相關(guān)。

●對于一些完整的，可以“即插即用”的SiP解決方案，例如藍牙或照相功能模塊；系統(tǒng)整機設(shè)計人員幾乎可以毫不費力地就將它們加進系統(tǒng)中去。

●降低整個系統(tǒng)的成本。一般說來經(jīng)過優(yōu)化的SiP解決方案，與采用分立器件的方案相比，一般都可以明顯地降低整機的成本。

●采用SiP以后，系統(tǒng)設(shè)計人員一般都可以分別優(yōu)化各個IC芯片的加工工藝，最充分地發(fā)揮各個芯片的性能特點。SoC和SiP是互相排斥的，但是SiP在IC的功能劃分方面，具有更大的靈活性，可以更好地優(yōu)化性能，降低成本。

二、SiP的應(yīng)用

SiP技術(shù)是在繼承SMT和IC兩種技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的；它從兩方面都有所借鑒。雖然MCM和SiP技術(shù)也存在一些共同之處，但是在歷史淵源方面，實際上SiP無論是和混合集成電路，或者和高性能MCM的開發(fā)歷史寸p沒有什么共同之處。當(dāng)人們一想到混合集成電路就會聯(lián)想到模塊，并且會想到這些模塊通常采用價格不菲的陶瓷襯底；同時也會想到這些模塊的產(chǎn)量都不高，多芯片模塊MCM(MuhiChipModule)技術(shù)，以前一直都僅僅應(yīng)用于高性能整機產(chǎn)品，例如被富士通或IBM的大型計算機系統(tǒng)中的CPU所采用。這些類型的MCM一般都非常復(fù)雜，而且價格也非常昂貴。例如，IBM 4300計算機所使用的MCM，采用的是玻璃陶瓷的襯底，有40多層，MCM中包含有25種IC。

SiP并沒有從混合集成電路或者MCM技術(shù)的歷史上借鑒了多少。它更多地是在大批量，低成本的主流IC裝配生產(chǎn)技術(shù)，和表面安裝技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它采用IC裝配技術(shù)，將IC芯片連接到SiP襯底上，采用SMT技術(shù)將無源元件以及其它和SMT技術(shù)兼容的零部件(例如接插件)安置到SiP襯底上。

SiP在工業(yè)界的應(yīng)用越來越廣，但是SiP一般都是盡可能地利用現(xiàn)有的技術(shù)(材料，設(shè)備，和工藝流程)，以保持SiP的低成本優(yōu)勢，支持大批量生產(chǎn)。

2．1 SiP在RF／無線電方面的應(yīng)用

當(dāng)今的無線電市場，在很大程度上受到無線電話產(chǎn)業(yè)的推動。產(chǎn)品的成本，尺寸，性能以及上市時間則是主要的推動因素。許多公司例如愛立信和摩托羅拉公司都在改變其垂直生產(chǎn)系統(tǒng)，在為其電話手機的生產(chǎn)尋找另外的生產(chǎn)基地。隨著外加工OEM日益增加，以及隨著中國市場的興起，出現(xiàn)越來越多的在中國制造的產(chǎn)品，手機的制造對于生產(chǎn)人員在工程技術(shù)水平方面的要求也越來越低。并且手機本身為了適應(yīng)2．5G和3G的要求，又需要支持比較高數(shù)據(jù)傳輸速率，還需要增加藍牙之類的應(yīng)用功能；最后還要求在增加功能，提高性能以后仍能保持成本不上升；同時在更小的體積內(nèi)實現(xiàn)同樣功能，達到同樣或更好的性能。在更短的時間內(nèi)引入更小，更鼠更輕，同時又具備功能更多的產(chǎn)品，已經(jīng)成為生產(chǎn)廠家必須保持的競爭優(yōu)勢。

此外，由于藍牙目前在手機中越來越多地被廣泛采用，它本身也需要能夠達到市場對手機的要采同時，如果把藍牙作為一個單獨的無線產(chǎn)品來觀察，它對成本的要求也十分敏感。目前市場上出現(xiàn)的藍牙產(chǎn)品，它們所采用的SiP大致可分為以下三種類型：

1．SiP中僅僅包括RFIC。 在這種情況下，藍牙的DSP功能部分被劃分在手機的基帶線路內(nèi)，而將藍牙的RFIC部分單獨封裝；

2．全部功能的單芯片或多芯片SiP是將RF,基帶功能線路，以及快閃存儲芯片都封裝在一個SiP模塊內(nèi)。在這種情況下，根據(jù)IC劃分的區(qū)別，SiP的解決方式也不相同，又可以有許多種解決的方案；

3．天線也包括在內(nèi)的即插即用方案。這種解決方式比較適合于對RF技術(shù)經(jīng)驗比較少，而又希望在手機上安裝藍牙的OEM用戶。由于大多數(shù)藍牙的解決方案，都是采用CMOS工藝技術(shù)設(shè)計的，需要對發(fā)射和接收部分的I／O仔細安排。為了防止互相之間出現(xiàn)不良的影響往往需要安裝屏蔽和帶通濾波器，以便既能夠?qū)崿F(xiàn)藍牙的功能，同時又能夠滿足無線電管理部門的規(guī)定要求。 除了手機以外，還有一些其它的整機產(chǎn)品也需要安裝藍牙模塊。如果這些應(yīng)用產(chǎn)品的開發(fā)人員對于RF技術(shù)的經(jīng)驗也比較少時，同樣也要求藍牙，能夠成為一個獨立的無線電部件。這樣用戶就能夠十分方便地加以利用了。這時，就要求能夠?qū)⑻炀€，屏蔽部件，支持線路，以及芯片都能夠包括在一個封裝內(nèi)。這樣的藍牙部件，現(xiàn)在正在開發(fā)之中，Amkor公司正在和客戶一起共同開發(fā)這方面的產(chǎn)品。

目前無線電話手機的發(fā)展趨勢，是實現(xiàn)模塊化。首先將手機的零部件集成為3-4個模塊，然后再逐步集成成為一個手機模塊。手機廠商一般都首先考慮，將SiP應(yīng)用在發(fā)射部分的功率放大級PA。以前的PA解決方案都是應(yīng)用分立器件，而將阻抗匹配線路和控制線路安置在母板上。當(dāng)前的SiPPA解決方案，一般都將匹配阻抗做在SiP以內(nèi)。并且SiP能夠提供適合RF應(yīng)用的I／O。這樣可以顯著地簡化整機制造中的操作，避免不必要的返修。所采用的襯底既有陶瓷，也有多層線路板。但是從發(fā)展趨勢看，人們傾向于采用多層板。預(yù)計不久就會將屏蔽部件，也集成在PASiP內(nèi)，以進一步簡化裝配操作，減少后勤供應(yīng)工作量。

在完成PA集成以后，不少廠商希望對手機中的基帶功能線路進行集成。集成的基帶模塊一般包括有基帶引擎，SRAM，閃存，BAI，以及一些無源元件。要求在手機的前端模擬線路改變時，能夠迅速組成并提供相適應(yīng)的引擎功能線路。將芯片疊加主要是為了減少面積。可以根據(jù)對散熱與布線的情況，將2-3個芯片相疊加。這種解決方案可以將大多數(shù)系統(tǒng)的布線轉(zhuǎn)移到基帶SiP中去了，因此SiP可以采用節(jié)距為1．0或1．27 mm的較大的BGA封裝，以取代為單個分立器件提供的節(jié)距為0．5-0．8 mm的BGA封裝。這樣可以降低OEM廠商對裝配的技術(shù)要求，減少母板的復(fù)雜性，降低母板成本。

下一步工作將是針對整個發(fā)射和／或接收部分進行集成。估計仍然需要分為接收與發(fā)射兩部分，以保證充分的隔離。Amkor公司已經(jīng)開發(fā)成功內(nèi)嵌屏蔽的模塊，既可以滿足線路隔離的要求，也能夠滿足無線電管理部門的要求。由于RF線路的復(fù)雜性，以及OEM廠商希望將"RF技術(shù)”的專業(yè)知識保留在公司內(nèi)，不外傳。這部分工作一般是手機集成工作的最后一步。進行這項工作需要對襯底材料的RF微波性能，對嵌入的無源元件，對元件結(jié)構(gòu)，以及對可能影響裝配與測試的一切線路的設(shè)計技術(shù)，都具有比較深入的了解。

2．2在傳感器方面的應(yīng)用

以硅為基礎(chǔ)的傳感器的應(yīng)用最近發(fā)展十分迅速，應(yīng)用范圍也日益廣泛，包括生物測量傳感器(例如指紋識別傳感器)，CMOS成像敏感器件，MEMS傳感器，例如加速度計等。在越來越多的便攜式電子產(chǎn)品中，例如手機和PDA，96集成有傳感器。在這些應(yīng)用中尺寸小，成本低，以及便于集成等特性，對于傳感器集成的成功與否十分關(guān)鍵。OEM廠商一般希望能提供一個可以“即插即用”的模塊(即一個完整的子系統(tǒng))；在其中不僅包括傳感器本身，還包括其所需要的控制芯片和線路。

目前較好的CMOS成像傳感器，在一個單獨的傳感器芯片上可以具有3．17兆象素。通常的CMOS傳感器芯片是安裝在獨立的封裝內(nèi)，例如Amkor公司的型號為VisionPakLCC的封裝(參看圖2)內(nèi)。此封裝在作為一個無外引出線芯片載體的同時，又為敏感器件芯片提供了一個清晰透明的保護蓋。對于驅(qū)動器IC則需要另外有一個單獨的封裝，并且對于透鏡組則必須由OEM廠商來進行設(shè)計與安裝，或者由第三方的裝配分包商來承擔(dān)。

2003年在許多便攜式電子產(chǎn)品中(例如手機中)安裝了CMOS成象傳感器。這些應(yīng)用必須降低成本，縮小體積。也要求能夠簡單地將此照相模塊直接插入手機的母板。采用SiP技術(shù)可以將透鏡組合集成到標準的VisionPakTM封裝上去。這樣的優(yōu)點是可以比較容易地實現(xiàn)傳感器芯片和透鏡組合之間的精密對準，安置；并且可以簡化透鏡焦距的調(diào)整工作。此外，還能夠?qū)Ⅱ?qū)動器IC和其它的無源元件一起，都安裝在SiP襯底的底部。如果增加一個柔性的連接器就可以很容易地被安裝到手機母板中去了。

2．3 SiP在網(wǎng)絡(luò)與計算技術(shù)方面的應(yīng)用

高速數(shù)字器件采用SiP封裝技術(shù)也可以獲得許多類似的好處。在網(wǎng)絡(luò)／計算技術(shù)等方面的許多應(yīng)用中往往要求將ASIC或者微控制器，和存儲器集成在一起。例如，在PC芯片集中的圖形處理模塊內(nèi)，通常包括有圖形控制IC和2片SDRAM?，F(xiàn)在的絕大多數(shù)圖形處理模塊在生產(chǎn)中都采用標準的MCM—PBGA方式的封裝。這種方式從封裝的角度考慮的確成本比較低，但是對于存儲器來說卻并不很適合。因為SDRAM器件需要100％地進行動態(tài)老化。但是，目前還沒有研究出可以在芯片切割以前，在晶圓上對SDRAM進行動態(tài)老化的既有效而且成本又低的方法；因此大多數(shù)供應(yīng)商銷售的SDRAM晶圓，只進行過靜態(tài)老化。因此，當(dāng)SDRAM裸芯片被安裝在MCM-PBGA封裝中時，有相當(dāng)比例的芯片可能是不合格的。而在MCM中一般是不能夠直接對DRAM進行測試的，只能夠在器件的最終測試時，通過圖形處理芯片對DRAM進行測試。由于同樣的理由，也不能夠單獨對圖形處理芯片進行完整的測試。因此在對模塊進行最終測試時，很難準確地確定系統(tǒng)失效的根源。

在互聯(lián)網(wǎng)路由器中的分組交換應(yīng)用裝置中，通常有一個引出端很多的ASIC，需要和多達8個SDRAM器件進行通信。按照傳統(tǒng)的制造方法，線路中的這塊ASIC是封裝在其獨自的高性能，散熱條件良好的，采用翻轉(zhuǎn)芯片鍵合連接的BGA封裝內(nèi)的。這種封裝可以具有多達1400個引出端，引出端的節(jié)距為1．0mm。而存儲器的封裝則一般都是采用標準的TSOP封裝，和ASIC器件一起，并圍繞著ASIC，一起安置在母板上。此外，還有大約100多個無源元件也一同被安裝在母板上，形成完整的子系統(tǒng)。這種解決方式占用了相當(dāng)大的母板面積。同時整個子系統(tǒng)的信號完整性問題，以及存儲器與ASIC之間的通信有關(guān)聯(lián)的時序問題都需要在母板安裝階段，由系統(tǒng)設(shè)計人員來解決。隨著路由器的復(fù)雜性日益增加，使得母板的復(fù)雜程度與成本越來越難于控制，以至于無法接受。針對這一情況，Amkor公司近來成功地開發(fā)了一種SiP解決方案，如圖4所示。該SiP將ASIC按照通常的翻轉(zhuǎn)芯片方法安裝在SiP襯底上。存儲器則分別采用FBGA封裝。并且在存儲器封好以后，被安置到SiP以前，先進行測試和動態(tài)老化；然后再采用常規(guī)的SMT技術(shù)，將它們安置在ASIC周圍的SiP襯底上，和ASIC安置在同一側(cè)。去偶電容器以及其它的無源元件也都同樣被安置在SiP襯底上。這樣可以避免由于采用傳統(tǒng)MCM設(shè)計所導(dǎo)致的芯片成品率損失。同時，由于所有ASIC與存儲器之間的布線都被分配在SiP襯底的第一與第二層，而不是安排在母板上，信號的延遲因而得到了改善。此外，由于ASIC與存儲器之間的連線都在SiP的襯底上解決了，系統(tǒng)母板的面積可以減少，導(dǎo)電層數(shù)也可以減少；因此由于母板的復(fù)雜程度降低，導(dǎo)電層數(shù)減少，母板的成本也得以明顯降低。同時，SiP解決方案還顯著地節(jié)省了母板的面積，使在同樣面積的母板上可以集成更多的功能。并且SiP可以作為系統(tǒng)中的一個單獨的功能塊，可以毫不費力地被安置在同一系列的其它新設(shè)計的整機系統(tǒng)中去。

需要指出，在對SiP的成本，和其它采用單獨封裝的，功能相當(dāng)?shù)腎C集的成本進行比較時，應(yīng)該從整個系統(tǒng)的成本著眼。雖然SiP的成本比較高，但是，系統(tǒng)的成本，由于縮小了母板的面積，從而節(jié)約子母板成本；縮小了系統(tǒng)的體積，簡化了系統(tǒng)的安裝操作，減少了系統(tǒng)的返工與維護費用，從而節(jié)約了系統(tǒng)的成本。因此在進行方案對比時，這些因素也都必須考慮在內(nèi)。

2．4應(yīng)用于其它高速數(shù)字產(chǎn)品的SiP

應(yīng)用于高速數(shù)字產(chǎn)品的SiP技術(shù)，可以提高系統(tǒng)的性能。隨著開關(guān)速度的提高，芯片內(nèi)核心區(qū)電壓的降低，噪音成為器件性能的主要限制性因素。按照傳統(tǒng)的方法在母板上安置無源元件解決信號完整性問題已經(jīng)無濟于事。對于采用標準引線鍵合的PBGA封裝，可以在標準BGA封裝上添加去偶電容器或者安置終端電阻以改進器件的性能。安置在電源線與接地環(huán)路之間的去偶電容器，可以減少地線的反彈，從而減少位錯率。所安置的去偶電容器的大小十分重要。安置在標準BGA封裝上的這些去偶電容器一般采用標準的SMT技術(shù)安裝。在標準的半導(dǎo)體封裝內(nèi)采用SMT技術(shù)安置片狀元件，系統(tǒng)設(shè)計人員能夠?qū)⒁粋€完整子系統(tǒng)(包括一組芯片集，再加上所有的其它無源元件)整個地安裝在一個SiP—PBGA內(nèi)。由于使用一個SiP-PBGA封裝代替了所有其它的單個封裝，結(jié)果節(jié)約了系統(tǒng)總成本。同時也改善了系統(tǒng)的性能。由于大多數(shù)信號完整性問題，可以在封裝內(nèi)得到控制；從而減少了系統(tǒng)設(shè)計人員的工作量。xDSL芯片集，DSP芯片集，以及圖形控制功能模塊都傾向于采用SiP-PBGA封裝。

利用SiP-PBGA封裝技術(shù)，再利用先進的互聯(lián)技術(shù)可以將芯片疊加進行封裝。例如xDSL子系統(tǒng)，它的芯片集共包括4個芯片，其中兩個尺寸完全相同，另外還有大約十多個無源元件。這個完整的子系統(tǒng)可以整個地安裝在一個35 mm的SiP-PBGA封裝內(nèi)；如果再將兩個大小相同的芯片疊加起來，可以進一步采用更小尺寸的27mm的SiP-PBGA封裝。這樣不但降低了成本，還減少了占用的母板面積，縮小了系統(tǒng)的體積。

(注：本文共分為四節(jié)。其余：“三，SiP的設(shè)計與制造；和四，小結(jié)”等兩節(jié)在下期刊登。)