集成電路系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)技術(shù)和應(yīng)用

吳德馨(中國(guó)科學(xué)院微電子研究所，北京，100029)

[編者按] 此文是中科院院士吳德馨在集成電路粵港臺(tái)論壇上演講稿的摘要。對(duì)于集成電路系統(tǒng)級(jí)封裝(SIP)的發(fā)展概況及其趨勢(shì)做了介紹,對(duì)于從事此領(lǐng)域工作的讀者有指導(dǎo)性意義，本刊特轉(zhuǎn)載。

摘要

由于集成電路設(shè)計(jì)水平和工藝技術(shù)的提高，集成電路規(guī)模越來(lái)越大，已可以將整個(gè)系統(tǒng)集成為一個(gè)芯片(目前已可在一個(gè)芯片上集成10⁸個(gè)晶體
管)。這就使得將含有軟硬件多種功能的電路組成的系統(tǒng)(或子系統(tǒng))集成于單一芯片成為可能。90年代末期集成電路已經(jīng)進(jìn)入系統(tǒng)級(jí)芯片(SOC)時(shí)代。20世紀(jì)80年代，專(zhuān)用集成電路用標(biāo)準(zhǔn)邏輯門(mén)作為基本單元，由加工線供給設(shè)計(jì)者無(wú)償使用以縮短設(shè)計(jì)周期：90年代末進(jìn)入系統(tǒng)級(jí)芯片時(shí)代，在一個(gè)芯片上包括了CPU、DSP、邏輯電路、模擬電路、射頻電路、存儲(chǔ)器和其它電路模塊以及嵌入軟件等，并相互連接構(gòu)成完整的系統(tǒng)。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)日益復(fù)雜，設(shè)計(jì)業(yè)出現(xiàn)了專(zhuān)門(mén)從事開(kāi)發(fā)各種具有上述功能的集成電路模塊(稱(chēng)做知識(shí)產(chǎn)權(quán)的內(nèi)核，即IP核)的工廠，并把這些模塊通過(guò)授權(quán)方式提供給其他系統(tǒng)設(shè)計(jì)者有償使用。設(shè)計(jì)者將以IP核作為基本單元進(jìn)行設(shè)計(jì)。IP核的重復(fù)使用既縮短了系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期，又提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成功率。研究表明，與IC組成的系統(tǒng)相比，由于SOC設(shè)計(jì)能夠綜合并全盤(pán)考慮整個(gè)系統(tǒng)的各種情況，可以在同樣工藝技術(shù)條件下實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)指標(biāo)。21世紀(jì)將是SOC技術(shù)真正快速發(fā)展的時(shí)期。

近年來(lái)由于整機(jī)的便攜式發(fā)展和系統(tǒng)小型化的趨勢(shì)，要求芯片上集成更多不同類(lèi)型的元器件，如Si-CMOSIC、GaAs-RFIC、各類(lèi)無(wú)源元件、光機(jī)
電器件、天線、連接器和傳感器等。單一材料和標(biāo)準(zhǔn)工藝的SOC就受到了限制。近年來(lái)在SOC基礎(chǔ)上快速發(fā)展的系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)，即在一個(gè)封裝內(nèi)不僅可以組裝多個(gè)芯片，還可以將包含上述不同類(lèi)型的器件和電路芯片疊在’—起，構(gòu)建成更為復(fù)雜的、完整的系統(tǒng)。

SiP與SOC相比較具有：

(1)可提供更多新功能;
(2)多種工藝兼容性好;
(3)靈活性和適應(yīng)性強(qiáng);
(4)低成本；
(5)易于分塊測(cè)試；
(6)開(kāi)發(fā)周期較短等優(yōu)點(diǎn)。

SOC和SiP二者互為補(bǔ)充，一般認(rèn)為SOC主要應(yīng)用于更新?lián)Q代較慢的產(chǎn)品和軍事裝備要求高性能的產(chǎn)品，SiP主要用于換代周期較短的消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)
品，如手機(jī)等。SiP在合格率和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方面尚有待進(jìn)一步提高。

由于SiP的復(fù)雜性，無(wú)論是在設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)方面都提出了更高的要求。在設(shè)計(jì)方面需要系統(tǒng)工程師、電路設(shè)計(jì)、版圖設(shè)計(jì)、硅技術(shù)設(shè)計(jì)、測(cè)試和制造等工程師團(tuán)隊(duì)一起合作共同實(shí)現(xiàn)最好的性能、最小的尺寸和最低的成本。首先通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助模擬設(shè)計(jì)采用的IC芯片、功率和無(wú)源元件等參數(shù)及布局；設(shè)計(jì)高密度布線中要考慮消除振蕩、過(guò)沖、串?dāng)_和輻射等；熱耗散和可靠性的考慮；基板材料的選擇(包括介電常數(shù)、損耗、互連阻抗等)；制定線寬、間距和通孔等設(shè)計(jì)規(guī)則;最后設(shè)計(jì)出母板的布圖。

SiP采用近十年來(lái)快速發(fā)展的倒裝焊互連技術(shù)，倒裝焊互連比引線鍵合具有直流壓降低、互連密度高、寄生電感小、熱特性和電學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，但費(fèi)用較高。SiP的另一大優(yōu)點(diǎn)是可以集成各種無(wú)源元件。無(wú)源元件在集成電路中的用量日益增加，如在手機(jī)中無(wú)源元件和有源器件之比約為50：1。采用近年來(lái)發(fā)展的低溫共燒多層陶瓷(LTCC)和低溫共燒鐵氧體(LTCF)技術(shù)，即在多層陶瓷內(nèi)集成電阻、電容、電感、濾波器和諧振器等無(wú)源元件，就如同在硅片中集成有源器件一樣。此外，為了提高管芯在封裝中所占面積比多采用兩個(gè)以上的芯片疊層結(jié)構(gòu)，在Z方向上進(jìn)行三維集成。其疊層芯片之間超薄柔性絕緣層底板的研制、底板上的銅布線、互連通孔和金屬化等新工藝技術(shù)得到了發(fā)展。

SiP以其進(jìn)入市場(chǎng)快、更小、薄、輕和更多的功能的競(jìng)爭(zhēng)力， 目前己在工業(yè)界得到廣泛地應(yīng)用。其主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樯漕l／無(wú)線應(yīng)用、移動(dòng)通信、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、計(jì)算機(jī)和外設(shè)、數(shù)碼產(chǎn)品、圖像、生物和MEMS傳感器等。

到2010年預(yù)計(jì)SiP的布線密度可達(dá)6000cm/cm²，熱密度達(dá)到100W/cm²,元件密度達(dá)5000／cm²,I/O密度達(dá)3000/cm²。系統(tǒng)級(jí)封裝設(shè)計(jì)也像SOC的自動(dòng)布局布線一樣朝著計(jì)算機(jī)輔助自動(dòng)化的方向發(fā)展。Intel公司最先進(jìn)的SiP技術(shù)已將五片疊層的閃存芯片集成到1．0mm的超薄封裝內(nèi)。日本東芝的SiP目標(biāo)是把移動(dòng)電話的全部功能集成到一個(gè)封裝內(nèi)。日本最近預(yù)測(cè)如果全世界LSI系統(tǒng)的1／5采用SiP技術(shù)，則SiP的市場(chǎng)可達(dá)1．2萬(wàn)億日元。SiP以其進(jìn)入市場(chǎng)快的優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)幾年內(nèi)將以更快的增長(zhǎng)速度發(fā)展。我國(guó)在加快發(fā)展集成電路設(shè)計(jì)和芯片制造的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)加大系統(tǒng)級(jí)封裝的研究和開(kāi)發(fā)。