系統(tǒng)級封裝(SiP)的發(fā)展前景(上)

——市場驅(qū)動因素，要求達(dá)到的指標(biāo)，需要克腰的困難

集成電路技術(shù)的進(jìn)步、以及其它元件的微小型化的發(fā)展為電子產(chǎn)品性能的提高、功能的豐富與完善、成本的降低創(chuàng)造了條件?，F(xiàn)在不僅僅軍用產(chǎn)品，航天器材需要小型化，工業(yè)產(chǎn)品，甚至消費(fèi)類產(chǎn)品，尤其是便攜式也同樣要求微小型化。這一趨勢反過來又進(jìn)一步促進(jìn)微電子技術(shù)的微小型化。這就是近年來系統(tǒng)級封裝(SiP,System in Package)之所以取得了迅速發(fā)展的背景。SiP已經(jīng)不再是一種比較專門化的技術(shù)；它正在從應(yīng)用范圍比較狹窄的市場，向更廣大的市場空間發(fā)展；它正在成長為生產(chǎn)規(guī)模巨大的重要支持技術(shù)。它的發(fā)展對整個電子產(chǎn)品市場產(chǎn)生了廣泛的影響。它已經(jīng)成為電子制造產(chǎn)業(yè)鏈條中的一個重要環(huán)節(jié)。它已經(jīng)成為影響，種類繁多的電子產(chǎn)品提高性能、增加功能、擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模、降低成本的重要制約因素之一。它已經(jīng)不是到了產(chǎn)品上市前的最后階段才去考慮的問題，而是必須在產(chǎn)品開發(fā)的開始階段就加以重視，納入整體產(chǎn)品研究開發(fā)規(guī)劃；和產(chǎn)品的開發(fā)協(xié)同進(jìn)行。再有，它的發(fā)展還牽涉到原材料，專用設(shè)備的發(fā)展。是一個涉及面相當(dāng)廣泛的環(huán)節(jié)。因此整個電子產(chǎn)業(yè)界，不論是整機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是零部件產(chǎn)業(yè)，甚至電子材料產(chǎn)業(yè)部門，專用設(shè)備產(chǎn)業(yè)部門，都很有必要更多地了解，并能夠更好地促進(jìn)這一技術(shù)的發(fā)展。 經(jīng)過這幾年的發(fā)展，國際有關(guān)部門比較傾向于將SiP定義為：一個或多個半導(dǎo)體器件(或無源元件)集成在一個工業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體封裝內(nèi)。按照這個涵義比較廣泛的定義，SiP又可以進(jìn)一步按照技術(shù)類型劃分為四種工藝技術(shù)明顯不同的種類；芯片層宗司摘譯疊型；模組型；MCM型和三維(3D)封裝型。現(xiàn)在，SiP應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域是將存儲器和邏輯器件芯片堆疊在一個封裝內(nèi)的芯片層疊封裝類型，和應(yīng)用于移動電話方面的集成有混合信號器件以及無源元件的小型模組封裝類型。這兩種類型SiP的市場需求在過去4年里十分旺盛，在這種市場需求的推動下，建立了具有廣泛基礎(chǔ)的供應(yīng)鏈；這兩個市場在成本方面的競爭也十分激烈。

而MCM(多芯片模組)類型的SiP則是一貫應(yīng)用于大型計算機(jī)主機(jī)和軍用電子產(chǎn)品方面。MCM已經(jīng)建立多年，是比較成熟的技術(shù)。在這個傳統(tǒng)領(lǐng)域MCM將繼續(xù)獲得廣泛應(yīng)用，但是預(yù)計也不會顯著地向這個領(lǐng)域以外擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。估計汽車電子產(chǎn)品將是其擴(kuò)展的領(lǐng)地之一。

此外，現(xiàn)在出現(xiàn)了各種各樣的有關(guān)3D封裝的新穎構(gòu)想。3D封裝近來越來越受到人們的關(guān)注，成為吸引研究人員注意的焦點(diǎn)，它的進(jìn)展有助于推動未來系統(tǒng)性能的提高與功能集成的進(jìn)步。 SiP和系統(tǒng)級芯片(SOC)一樣，也已經(jīng)發(fā)展成為推動電子系統(tǒng)集成的重要因素。SiP與SOC相比在某些應(yīng)用市場有著一定的優(yōu)勢，在這些市場范圍內(nèi)它可以作為一種變通方案代替SOC。SiP的集成方式比較靈活多樣，進(jìn)入市場的周期比較短，研究開發(fā)的費(fèi)用也比較低，NRF費(fèi)用也比較低，在一些應(yīng)用領(lǐng)域生產(chǎn)成本也比較低。這是它的優(yōu)勢。但是，SiP這種技術(shù)并不能作為一種高級技術(shù)完全取代具有更高集成度水平的單芯片硅集成技術(shù)SOC，應(yīng)該把SiP看作SOC技術(shù)的一種補(bǔ)充技術(shù)。尤其是對于許多產(chǎn)量規(guī)模十分巨大，又是以CMOS技術(shù)為基礎(chǔ)的應(yīng)用，SOC將仍然是不可取代的優(yōu)先選擇。 和大多數(shù)新興的市場一樣，對于SiP的應(yīng)用也仍然有一些關(guān)鍵的屬于基礎(chǔ)性的問題需要解決和改進(jìn)，例如，如何在產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)上降低成本，如何提高性能與可靠性，以推進(jìn)市場的進(jìn)一步口透與擴(kuò)大。其中也應(yīng)該包括如何降低高連接線密度基板材料的成本；開發(fā)EDA設(shè)計工具；開發(fā)SiP電特性與機(jī)械特性的高速計算機(jī)模擬工具并使之與IC設(shè)計工具相連接；研究開發(fā)晶圓級封裝技術(shù)；降低專用裝配設(shè)備的成本；改進(jìn)包封用材料的性能等問題。

下面將分別介紹對系統(tǒng)級封裝(SiP)產(chǎn)品的市場驅(qū)動因素，各方面要求SiP達(dá)到的目標(biāo)，以及在發(fā)展SiP產(chǎn)業(yè)的過程中需要克服的困難。

一．市場驅(qū)動因素

在過去的兩年里SiP市場規(guī)模的增長幅度比一般封裝市場的增幅大得多，預(yù)計其增長幅度在今后的三年內(nèi)仍將超過一般封裝市場的平均增長幅度。為了抓住這個不斷擴(kuò)大的市場機(jī)遇，IDM公司、半導(dǎo)體封裝廠商、測試分包廠商，以及EMS(電子產(chǎn)品制造服務(wù))公司等都在向SiP的有關(guān)研究開發(fā)與擴(kuò)大生產(chǎn)能力的項目增加投資。但是由于在2000-2002年間遭遇嚴(yán)重的半導(dǎo)體不景氣，這些投資還是偏于保守，以至于目前在某些需要大力加強(qiáng)生產(chǎn)能力方面的投資顯得不足。目前在生產(chǎn)能力方面呈現(xiàn)明顯不足的部分，集中在以下幾處：高密度互連線(HDI)多層線路板基板、0201無引出線零部件、高密度組裝，以及RF混合信號測試等方面。

從根本上說，推動SiP技術(shù)發(fā)展的主要動力，是對于電子產(chǎn)品小型化的強(qiáng)烈需求，希望產(chǎn)品體積更緊湊，集成度更高。如果有可能許多廠商還是希望采用能夠集成整個系統(tǒng)的硅單片SOC的解決方案。應(yīng)用CMOS工藝技術(shù)實現(xiàn)的SOC，仍然是成本最低，集成度最高的首選。但是這些系統(tǒng)級芯片目前受技術(shù)限制，只能局限于數(shù)字式邏輯產(chǎn)品。然而，許多系統(tǒng)往往需要具有混合信號功能和模擬的功能，并且在電子產(chǎn)品中還需要應(yīng)用許多特殊的器件，這些特殊器件往往是不能應(yīng)用以CMOS工藝技術(shù)為基礎(chǔ)的制造方法實現(xiàn)的。在這些應(yīng)用方面，采用SiP技術(shù)來制成集成化的子系統(tǒng)，甚至整個系統(tǒng)的模組，是很有競爭力的。在這些關(guān)鍵的應(yīng)用市場中，SiP預(yù)計仍將繼續(xù)大幅度增長。

RF移動電話一直是SiP增長最快的市場之一。移動電話系統(tǒng)為了達(dá)到最高的性能水平，現(xiàn)在在一個簡單的無線電系統(tǒng)中，往往混合采用硅，硅鍺(SiGe)和砷化鎵(GaAs)以及其它無源元件。將這些不同工藝技術(shù)制造的零部件制作在一塊硅單晶芯片上，目前的技術(shù)還不太可能，或者可以說在經(jīng)濟(jì)上還不劃算。但是采用SiP模組卻可以應(yīng)用表面安裝技術(shù)(SMT，sllrface mount technology)術(shù)集成硅和砷化鎵裸芯片，還可以采用嵌入式無源元件，非常經(jīng)濟(jì)有效地制成高性能RF系統(tǒng)。這樣的模組具有高度的靈活性，有利于系統(tǒng)的劃分，分別對其進(jìn)行優(yōu)化。并且設(shè)計周期與樣品制作周期都比較短。對于模組的客戶亦即模組組裝廠商，采用SiP技術(shù)以后，還可以簡化裝配過程，降低測試的復(fù)雜性與難度，同時由于減少了零部件的數(shù)目還可以節(jié)省整個系統(tǒng)的成本。

對于單純的數(shù)字式電子產(chǎn)品市場，SiP的重要驅(qū)動力來自邏輯電路與存儲器相結(jié)合的產(chǎn)品；為了降低這類產(chǎn)品的成本，提高其集成度往往需要采用SiP。成本的降低是由于SiP可以將幾個芯片疊加起來封裝在一個封裝內(nèi)，從而減少了零部件的數(shù)量；同時也由于采用成本比較低的引線鍵合或倒叩焊的工藝實現(xiàn)存儲器與邏輯電路的連接，從而降低了成本。特別是當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)芯片之間存在大量的共同連接時，由于能夠共用封裝提供的I／O，這種方式的SiP是最經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。除了節(jié)省封裝的成本以外，這種芯片層疊式封裝還可以大量節(jié)約電路板面積，降低電路板上互連的復(fù)雜程度。

在目前的層疊芯片封裝中，有各種各樣的疊加芯片的方式。不論采用哪一種疊加方式，都是在對各個零部件進(jìn)行過測試以后，再使用焊料或者其它連接方法將元件層疊起來再進(jìn)行封裝的。它最大的優(yōu)勢是減少了電路板的面積，降低了電路板的復(fù)雜程度。但是，還可以在每個封裝內(nèi)部安排布線，以便更精確地實現(xiàn)I／O的對準(zhǔn)。而在線路板上安置裸芯片，一般不能達(dá)到很高的精度。

最復(fù)雜形式的SiP是MCM。MCM的出現(xiàn)主要是受到改進(jìn)與提高性能，盡量縮小體積要求的推動。大多數(shù)這類應(yīng)用都采用陶瓷基板，應(yīng)用倒叩芯片互連技術(shù)，可以在比較高的環(huán)境溫度下運(yùn)行，具有比較高的可靠性。MCM主要應(yīng)用于汽車電子、軍用系統(tǒng)，以及航天器材。目前基板上的互連密度與半導(dǎo)體芯片上的互連密度間存在相當(dāng)大的差距，采用MCM技術(shù)有助于縮短這個差距。估計在今后的10年以內(nèi)MCM技術(shù)將發(fā)展成為真正意義上的3DSiP。這樣可以進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)的性能，提供最高的集成密度。

SiP技術(shù)的復(fù)雜多樣性(在某種程度上)是由于市場要求的多樣化所決定的。估計在相當(dāng)長的時期內(nèi)，這些紛繁的市場驅(qū)動仍然會要求SiP技術(shù)繼續(xù)保持其多種多樣性。促使SiP技術(shù)繼續(xù)向多種多樣性發(fā)展的，近來又新增加了另外一個原因，就是于系統(tǒng)的發(fā)展需要將許多新型器件集成到系統(tǒng)中去。例如當(dāng)前就十分有興趣將光學(xué)器件與電子器件集成在一個SiP之中；也關(guān)心將傳感器為基礎(chǔ)的MEMS(微電子與機(jī)械系統(tǒng))與其它電子零部件一起集成在電子產(chǎn)品內(nèi)。將來還必然會要求將生物結(jié)構(gòu)、納米結(jié)構(gòu)，以及化學(xué)器件(Chemical devices)集成進(jìn)來。這些特殊類型的器件和目前的砷化鎵或者濾波器器件的情況十分類似。隨著12英口晶圓與深亞微米工藝技術(shù)的大量被采用，隨著其它技術(shù)門類的發(fā)展，在當(dāng)前技術(shù)大融合的形勢下，電子產(chǎn)品將會更為復(fù)雜多樣。將這些不同類型的各種各樣的器件集成在SiP內(nèi)，看來是最為經(jīng)濟(jì)實效的方式。

二．要求達(dá)到的指標(biāo)

根據(jù)上述各種不同類型的應(yīng)用與要求，去年美國電子制造業(yè)促進(jìn)會邀請了一些專家，經(jīng)過討論，綜合了在設(shè)計、裝配過程、材料、零部件，以及可靠性等等方面對SiP的不同技術(shù)要求，并確定了一組數(shù)量不多的指標(biāo)，并對上述要求加以量化，以便易于參考使用。這些專家分別來自IDM(垂直集成的半導(dǎo)體器件制造司)公司、EMS(電子制造服務(wù))公司、半導(dǎo)體封裝/測試承包公司、有關(guān)的材料與設(shè)備供應(yīng)公司，以及自各大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)。這些來自不同產(chǎn)業(yè)與機(jī)構(gòu)的專家，帶來了有關(guān)SiP市場、技術(shù)的最新信息，以及圍繞了擴(kuò)展這一新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)所需要開展的研究工作的規(guī)劃等等方面的最新觀點(diǎn)?，F(xiàn)將這些指標(biāo)列于表1中。由于應(yīng)用范圍十分廣，各種應(yīng)用要求自然有很大的差異；也由于SiP技術(shù)發(fā)展尚很不成熟，所選擇的指標(biāo)主要考慮能否表明技術(shù)的發(fā)展趨勢，并盡可能和研究團(tuán)體所追求目標(biāo)相一致。鑒于SiP發(fā)展變化異常迅速，預(yù)計在今后兩三年內(nèi)，這些要求很可能會隨著技術(shù)的發(fā)展成熟出現(xiàn)很大的變化。需要及時進(jìn)行修正。 MCM的最大端口數(shù)量是受大型計算機(jī)系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)市場的要求驅(qū)動的。這些復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)采用了規(guī)模龐大的復(fù)雜MCM技術(shù)。對于這部分市場，系統(tǒng)的性能是最重要的驅(qū)動。I／O端口數(shù)量曾經(jīng)受到大型主機(jī)應(yīng)用的影響，被推進(jìn)到PCB技術(shù)的極限；以后再沒有遇到過更高數(shù)量的要求，因此沒有必要再進(jìn)一步增加。

RF模組的端口數(shù)量主要受RF系統(tǒng)的推動。一般RF系統(tǒng)沒有要求很大的I／O端口數(shù)量。預(yù)計隨著模組功能的增加，與預(yù)計向數(shù)字化接口的轉(zhuǎn)移，RP系統(tǒng)所需求的I／O數(shù)量估計將迅速增加，一直達(dá)到I／O密度的極限?，F(xiàn)在大多數(shù)模組產(chǎn)品利用一個周邊安置I／O，節(jié)距現(xiàn)在為0．5mm。因此預(yù)計隨著I／O數(shù)量的增加，將會在2007年要求節(jié)距縮短到0．4mm，以增加I／O的數(shù)量。這一改進(jìn)將影響測試插座、SMT工藝技術(shù)，以及電路板母板，要求它們也作相應(yīng)的改進(jìn)。

在對于體積縮小要求十分嚴(yán)格的應(yīng)用領(lǐng)域，它們所使用的存儲器容量越來越大。這一要求將SiP內(nèi)疊加的芯片數(shù)提高至極限。不斷增大的存儲器容量除了增加芯片層疊的數(shù)量以外，也在推動晶圓片的減薄，改進(jìn)芯片焊接，以及改進(jìn)引線鍵合工藝技術(shù)，以便改善芯片層疊封裝的裝配過程。

在模組SiP內(nèi)安裝的芯片數(shù)量，由于預(yù)計到許多應(yīng)用將逐步轉(zhuǎn)向采用集成水平更高的SOC芯片，因此模組內(nèi)的總芯片數(shù)增加至一定數(shù)量以后將會逐步減少。這時出現(xiàn)的一個重要轉(zhuǎn)變是將在模組內(nèi)引入傳感器之類的特殊器件，以改進(jìn)系統(tǒng)的功能。這些特殊器件，估計將采用晶圓級封裝，并且是可以采用SMT技術(shù)進(jìn)行裝配的。但是如果晶圓級封裝一時還不能被采用，則這時模組內(nèi)所安置的總芯片數(shù)可能增加。

現(xiàn)在嵌入式無源元件正在日益廣泛地應(yīng)用于SiP，它們可以被安置在陶瓷基板或有機(jī)多層板基板上，甚至也可以安置在引線框架上。但是在不同的基板上安置的無源元件的類型與復(fù)雜程度卻有著明顯的不同。在引線框上所形成的電感器，大都是簡單的螺旋形狀的導(dǎo)電體，電感的數(shù)值范圍很有限。對于有機(jī)材料的多層板基板，可以安置的電感器類型與電容器結(jié)構(gòu)就比較寬，采用新的電介質(zhì)材料的電容器結(jié)構(gòu)也已開始出現(xiàn)。對于陶瓷基板的MCM，則可以安置的電阻器、電容器，和電感器類型就更為廣泛了；它還可以采用不同的特殊電介質(zhì)，因此元件類型也更廣泛。對于嵌入式元件最為重要的共同要求，則是縮小參數(shù)公差和降低成本。此外，專家們還對今后10年左右時間內(nèi)，SiP的主要性能特征進(jìn)行了預(yù)測。現(xiàn)將其預(yù)測的主要特性指標(biāo)列于表2。

零部件是根據(jù)對系統(tǒng)的要求所明確地需要推進(jìn)技術(shù)發(fā)展進(jìn)步的一個領(lǐng)域?，F(xiàn)在有一些有關(guān)零部件的技術(shù)立足于采用新的材料，可以增加電容器的電容量以滿足系統(tǒng)的發(fā)展需要，但是不能達(dá)到降低成本的目標(biāo)?，F(xiàn)在也有一些技術(shù)，確實可以改進(jìn)插入損耗(例如RF應(yīng)用方面基于MEMS技術(shù)的開關(guān)器)，提供比較高的Q因子；但是這些技術(shù)還需要進(jìn)一步開發(fā)以便降低成本，提高性能，滿足所要求的指標(biāo)。

三.需要解決的困難

設(shè)計工具

可以用于芯片與封裝協(xié)同設(shè)計的集成化設(shè)計工具目前還沒有，這是在采用SiP的早期就需要解決的問題之一，也是當(dāng)前的一項重要的關(guān)鍵項目。有幾家EDA廠商現(xiàn)在已經(jīng)有一些標(biāo)準(zhǔn)的工具，可以應(yīng)用于SiP的設(shè)計。例如，版圖設(shè)計工具、DRC驗證工具、電性能分析工具，以及與機(jī)械特性分析工具的連接工具等，可以應(yīng)用于現(xiàn)在正在進(jìn)行的SiP設(shè)計。隨著SiP復(fù)雜性的增加與性能的提高，需要改進(jìn)這些工具的性能，以便能夠更迅速地進(jìn)行3D電性能與機(jī)械性能的仿真。為了能夠計算制造誤差對電性能的影響需要大幅度改進(jìn)這些工具的仿真能力，例如，基
板尺寸的細(xì)微變化對于RF電路電性能的影響等。此外還需要開發(fā)一些新型的設(shè)計工具，以便能夠?qū)⒉煌N類的技術(shù)集成在一起。這些工具可以用來設(shè)計復(fù)雜的SiP，這些SiP可能包括有半導(dǎo)體器件、MEMS元件、光學(xué)元件，甚至還包括生物器件。這些工具還應(yīng)該能夠用來進(jìn)行產(chǎn)品概念構(gòu)思階段的分析比較，以便設(shè)計人員能夠?qū)Σ煌脑O(shè)計方案權(quán)衡利弊，分析得失，對各種不同類型方案的性能、成本、可靠性，以及風(fēng)險程度進(jìn)行計算。
（未完待續(xù)）