SiP系统级封装技术的应用与挑战

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作者：杨邦朝，马嵩胡，永达
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) n+ h* l5 d4 |& g  N6 K( N2 f$ _系统级封装（system in package，SIP）是一种新型的封装技术，在IC封装领域，SIP是最高级的封装。在ITRS2005中对SIP的定义是：“SIP是采用任何组合，将多个具有不同功能的有源电子器件与可选择的无源元件，以及诸如MEMS或者光学器件等其他器件，组装成为可以提供多种功能的单个标准封装件，形成一个系统或者子系统”。对于SIP而言，在单一的模块内需要集成不同的有源芯片和无源元件、非硅器件、MEMS元件甚至光电芯片等，更长远的目标则考虑在其中集成生物芯片等。目前在无线通讯领域内特别是在3G领域内，SIP是非常有潜力的技术。
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6 }! F9 B9 D* L( R% ]% }9 H+ `1. SIP的应用


+ n" B& b$ t6 C+ kSIP是IC封装领域的最高端的一种新型封装技术，目前已经被广泛应用在手机、蓝牙、Wi-Fi和交换机等无线通讯领域，在汽车电子、医疗电子、消费类电子、军事电子等领域内都有一定的市场。虽然当前其份额还不是很大，但已经成为一种人们关注和发展迅速的封装技术。
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（1）无线通讯领域
4 x! k) t) H' A# HSIP的应用领域比较广泛，在无线通讯应用与研究方面最为突出。特别是在射频范围内SIP技术是一种理想的系统解决方案。其中，最早商业化的SIP模块电路是手机中的功率放大器，这类模块中可集成多频功放、功率控制及收发转换开关等功能。

手机PA模组

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（2）汽车电子
+ s9 V: k- g1 D9 p2 W' Y目前，SIP技术已经在汽车电子领域得到了广泛的应用，如发动机控制单元(ECU)、汽车防抱死系统(ABS)、燃油喷射控制系统、安全气囊电子系统、方向盘控制系统、轮胎低气压报警系统等。此外，SIP技术在快速增长的车载办公系统和娱乐系统中也获得了成功的应用。

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瑞萨R-Car H3汽车自动驾驶系统平台SiP

（3）医疗电子
医疗电子注重产品的可靠性、尺寸、功能和寿命，如何在更小的体积内实现更多的功能和更好的性能是其面临的经典问题。在医疗电子领域，SIP的典型应用产品主要为可植入式电子医疗器件，如心脏起博器、心脏除颤器、输药泵、助听器等。当人体心脏持续快速跳动或电子脉冲紊乱时，医学上称之为心脏纤维性颤动，心脏除颤器可以及时产生高压脉冲对心脏进行电击，从而消除心脏纤维性颤动，使心律恢复正常。Valtronic SA使用折叠理念，将逻辑电路、存储器和无源组件结合到单独的SIP中，应用于助听器和心脏起博器。
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! |4 ~9 l7 O+ p* x3 S9 R胶襄内窥镜

（4）计算机和网络技术
' l/ b4 ^( \: r* R8 d6 V9 u6 d; p在计算机/网络技术等应用方面，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。

' E- ]2 Y: w- R4 K" b, d/ }AMD's Massive Fiji GPU with HBM

（5）消费类电子
消费类电子产品是SIP的主导产品，应用对象主要包括数码相机、摄像机、笔记本电脑、PDA、掌上游戏机、MP3、MP4以及各种玩具等。三星电子公司采用SIP技术开发出业界第一个集ARM处理器、NAND闪存和SDRAM于一体的组件，其在单一封装结构内，将基于ARM的应用处理器芯片、256兆字节NAND闪存芯片和256兆字节SDRAM内存芯片垂直叠装在一起，尺寸仅为17×17×1.4mm，明显地减小了产品外形尺寸，使得掌上电脑和智能手机设计人员可以灵活地创造出支持多媒体等先进功能的更加小巧的产品设计方案。
" f8 _, I5 a- O5 X( c+ ]图像传感器是数码相机、扫描仪、摄像头、玩具等电子产品的核心器件，其通过光电转换，将光学信号转换成数字信号，然后实现图像的处理、显示和存储。图像传感器包括一系列不同类型的元器件，如CCD、COMS图像传感器、接触图像传感器、电荷载入器件、光学二极管阵列、非晶硅传感器等，SIP技术无疑是一种理想的封装技术解决方案。   
蓝牙系统一般由无线部分、链路控制部分、链路管理支持部分和主终端接口组成，SIP技术可以使蓝牙做得越来越小迎合了市场的需求，从而大力推动了蓝牙技术的应用。例如，蓝牙半导体解决方案BGB202系统级封装，为移动设备设计人员带来了真正意义上的技术突破，它在一个封装内集成了多种技术，将整体蓝牙解决方案的尺寸降低到56。BGB202是对面市的BGB102 RF SIP的改进，它在一个超小型封装内集成了蓝牙无线技术功能所需的全部元件(无线电、基带、ROM、滤波器及其它分立元件)。
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SiP蓝牙模组

# D+ [* l$ T/ l* o: ~(6)军事电子技术
军事电子产品具有高性能、小型化、多品种和小批量等特点，SIP技术顺应了军事电子的应用需求，因此在这一技术领域具有广泛的应用市场和发展前景。SIP产品涉及卫星、运载火箭、飞机、导弹、雷达、巨型计算机等军事装备，最具典型性的应用产品是各种频段的T/R组件。
T/R模块是整机最关键最基本的单元，缩小整机体积必然要从缩小每个T/R模块的体积入手，SIP技术的出现无疑能大大加快T/R模块小型化进程。在现代雷达技术中，相控阵雷达，特别是有源相控阵雷达占有十分重要的地位，其中T/R组件是整个雷达的关键部件之一。T/R组件的研制成本、稳定性和可靠性决定了整个雷达研制的周期、造价和可靠性指标，因此T/R组件的设计成为各雷达系统设计师关注的焦点。
目前最常用的T/R组件由发射(T)通道、接收(R)通道和公用通道组成。例如，三菱电气公司研制采用SIP技术的TR组件构成的OPS-24有源多功能相控阵雷达。
Westinghouse公司采用SIP技术生产制作了F22战斗机的x波段T/R组件，该SIP产品由8个GaAs MMIC芯片、4个GaAs数控接口芯片、若干个功放匹配网络以及RF旁路电容等构成，互连电路基板为LTCC多层基板，其内部含有22层布线以及多种形状复杂的空腔结构，线宽/间距均为125微米，与原先的分立模块相比较，体积和重量缩小了数十倍。
Huges公司利用SIP技术研制出4通道x波段有源相控阵雷达T/R组件，4块A1N共烧多层陶瓷基板叠装成1个三维叠层封装结构，面积仅为32mm×32mm，与原先结构产品相比较，体积减小了86%，壳温低于125℃，产品可靠性得以明显的提高。

. c; k$ Y3 Z* _9 S, T! |F35相控阵雷达上的TR组件

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2. 系统级封装技术的发展与挑战

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0 p0 N! Z, n' N! [系统级封装是一种新型的综合技术，囊括了材料、工艺、电路、器件、半导体、封装、测试等技术。这意味这项新的技术在成长的过程中要面临很多困难和挑战，例如微晶片减薄是SIP增长所要面对的重大技术挑战。现在的技术可处理厚度为50微米，如果进一步减薄，对于自动设备来说将产生问题：晶片变得过于脆弱，因此更加易碎。此外，从微晶片到微晶片的电子“穿孔”效应将损毁芯片的性能。
# f7 t" x8 o! E6 x8 e; C另一挑战是LSI自由组合的技术问题。SIP中使用的LSI必须是KGD（known good die），即经过良品筛选的“确认好的芯片”。但是，大部分LSI厂家还未形成向用户提供KGD的体制。这说明并不是简单的将LSI芯片集合在一起，经封装即可使用的，而是受到诸多因素的制约。此外，还有SIP的发热问题、设计能简单化问题、如何处理界面不同等难题。

; P( H$ {" C$ N( h5 m) Y微电子封装涉及的领域

, @! ~2 u& N- |* r3 u. v* y事实上，系统级封装不仅是封装领域的一个技术，它对整个电子制造业都会产生积极影响。主要反映在三个方面：
（1）系统级封装本身促进电子制造技术进步；
（2）带动相关制造装备开发；
（3）促进材料与电子系统共性技术发展；
& a! Z4 o. L" L; _系统级封装以电子系统小型化、高性能、多功能、高可靠性和低成本为目的。它要求IC不封装，尽可能裸片，因而促进了WLP和CSP的发展；它要求数字电路、模拟电路和射频电路集成在一个基板上，促进了设计方法与工具、基板工艺的发展；埋入无源元件促进了功能材料的发展；光学系统的集成促进了光学元件、材料与组装技术的发展；射频前端集成促进低损耗介质和磁性介质的开发和使用等。而这些技术并非只是系统级封装所要求的技术，事实上，它们是电子制造业的共性技术，它们的发展与提高必定促进电子制造业的技术进步。
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+ i  {" e: x/ L" L1 F有人说系统级封装只是一个概念，不是一个产品或技术。从某种意义上说，这是对的。系统级封装可以理解为是一个目标。为达到这个目标，我们必须面对所有的挑战，克服所有的困难。在这个过程中的每一个进步其实就是现有技术的进步，由于是共性技术，就可立即用于现今的生产。总体来看，就是电子行业的进步。



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