SiP：系统集成封装技术

SiP：系统集成封装技术

窦新玉

清华大学电子封装技术研究中心

SiP（System in Package）是近几年来为适应模块化地开发系统硬件的需求而出现的封装技术，在已经开始的新一轮封装技术发展阶段中将发挥重要作用。SiP利用已有的电子封装和组装工艺，组合多种集成电路芯片与无源器件，封闭模块内部细节，降低系统开发难度，具有成本低、开发周期短、系统性能优良等特点，目前已经在通信系统的物理层硬件中得到广泛应用。

随着半导体制造技术的进步，集成电路芯片引出端（I/O）数与芯片面积的比值将持续上升，现有的二维I/O结构在未来五年里面临着新的挑战，SiP在不改变二维封装结构的前提下作为一个解决方案，有明显的技术优势和市场潜力。SiP技术的普及能够改变目前封装产业以代工为主的状况，为封装企业拥有自主产品在技术上创造了可能性，封装产业的产值在整个半导体产业中的比重会随之增加。

1．集成电路产业的发展与需求催生SiP技术

从第一支晶体管的诞生，到第一颗集成运算放大器的出现，一直到今天，半导体产业的发展可以概括为一个集成化的过程。多年来，集成化主要表现在器件内晶体管的数量，这个指标在单一功能的器件中目前仍占统治地位，比如存储器。现代系统集成技术中一个更重要的指标是系统功能的完整化，这样就牵扯到不同IC技术与电路单元的集成。单一功能的器件比比皆是，但单一功能的电子系统少见。由于网络与通信技术的普及，纯数字系统（所谓的计算机）几乎已经不存在，物理层硬件是多数系统中必要的组成部分。最基本的数字系统也至少包含逻辑电路和存储器，两者虽都是数字电路，但半导体制造工艺的细化与优化也已使得这两种最基本电路单元的集成不是一件简单的工作。

移动通信技术的普及使得电子整机系统向着高性能、多功能和小型化方向发展。这种需求推动了电子封装技术的近十年来的飞速发展，BGA和CSP等先进封装型式因为能够满足多I/O、小型化的技术得到普遍应用。纵观微电子产业发展的历史，封装技术在满足市场需求方面经常是被动地发挥作用；末端电子产品提出集成的要求，前端半导体设计与制造提出解决方案，封装在两者的约束下做物理实现。这种情况将在未来几年会发生变化，目前这种变化已经初步显示出来了。造成这种局面的原因是电子系统复杂度的不断提高，封装也要参与系统集成的过程。

一个先进的电子整机系统是由许多不同技术和功能的器件和电路、不同的材料等集成实现的，能够完成信号的发射、接收、存储、处理、再现（图像的显示和声音的播放等）等多项功能。以移动手机为例，它的功能包括远程无线通信（GSM和WCDMA）、近程无线接入（IrDA，Bluetooth或WLAN）、有线连接（USB）、支持操作系统和应用程序运行的CPU，平板显示及背光LED、音频系统、及支持这些硬件的电源管理系统等。所有这些功能的内部细节的以及它们的组合多少年来一直是末端产品制造商的任务，使得产品开发的费用越来越高、周期越来越长，这样发展下去，终究会有一天发生量变到质变的转换，产品开发从“难”过渡到“不可能”。

软件工程已经解决了这个问题：OOP的概念使得每个层次的问题在规模上都大体相同，系统集成的工作与模块开发的工作比重相同。硬件系统的开发也必须走这条路。这就要求整个产业过程均摊系统集成的任务，即芯片设计和封装要承担一部分系统集成的工作。这一需求将决定未来几年芯片设计与封装技术的发展方向，作为设计过程中的集成技术SoC（System On Chip）和作为封装过程中的集成技术SiP （System-in-Package）将逐渐成为产业中主流技术。大量和普遍使用SoC和SiP技术将实现产品开发过程的模块化，进而缩短产品开发周期、降低成本。SoC的思想

是在单个芯片上实现数字电路、模拟电路、RF、存储器的集成；SiP的思想则是采用混合集成，将多种类型的元件，如Si-CMOS、GaAs-RF、各种无源器件等组合为一个紧凑的具有独立功能的模块。两者的目的一致，但方法不同。SoC代表了设计的最高阶段，实现了性能最优、功耗最低、体积和重量最小，但其设计复杂、设计周期长、开发成本较高，而且目前基于标准CMOS工艺的芯片在很多方面（比如：射频、光电、高电压）的性能指标还不能满足要求。相比之下，SiP设计灵活、快捷，利用现有的比较成熟的元器件，设计周期短，工艺成熟。SiP与其说是一种封装技术，不如说是一种集成思想，它利用现有的封装工艺将系统需要的元件进行组合，以最低的成本、最快的时间、达到最优的系统性能。

半导体制造技术遵循着摩尔定律不断发展，器件的I/O数量随之不断增加，其封装技术也相应地走过了一个从一维周边结构（QFP）到二维平面阵列（BGA）的过程。没有这种封装技术的进步，先进的半导体制造技术就不能体现出来，集成电路的体积就不能随着芯片集成度的增加而减小，相反，I/O数量的增加会导致器件的体积增大。现今的平面封装技术面向器件与印刷电路板间的组装，主要是为了解决集成电路与布线板间线宽的不匹配，这种技术在未来五年内将随集成电路制造技术的进一步发展而面临巨大的挑战。解决这种问题的一个办法是使用高密度基板，但目前在电子产品中整体使用高密度基板还有着成本问题，所以较为普遍的方法是只在器件封装的过程中使用高密度基板。另一种解决方案是减少器件的I/O总数，其途径是以封装工艺进行系统集成，减少外围器件，将系统内部的I/O封闭在系统之内，从而降低器件与组装板间的IO总量。在未来的几年里，这两种方式互相补偿，都将成为封装技术研究的主攻方向。

2．SiP的关键技术与工艺

SiP主要采用现有的封装和组装工艺，它区别于传统封装技术的地方在于与系统集成有关的两个方面：系统模块的划分和设计及实现系统组合的载体。传统封装中的载体，即基板，只是起到互连的作用，而SiP的载体包含电路单元，是系统的组成部分。

2.1 系统模块的划分与设计

模块的划分是指从系统中分离出一块功能，既便于后续的系统整体集成又便于SiP封装。以Bluetooth模块为例，其核心是一块基带处理器，一端是与系统CPU

的接口，另一端是与物理层硬件的接口（调制解调、发送与接收放大、天线等）。从系统集成的需求来考虑，希望基带处理器和物理层硬件都能通过封装实现在一个器件内。而从封装的角度来考虑，将天线包括在器件之内会使得器件的体积过大，相对而言，天线在系统电路板上实现更现实。如果要集成的是一个音频系统，某些高值电容更适合于作为模块的外围器件。

模块划分完成后就进入了电路细节的设计阶段。由于SiP集成涉及到较为复杂的系统，包括模块内部的细节、模块与外部的关系、信号的质量、延迟、分布、噪声等，电路与系统的设计水平成了标志是否具有SiP开发能力的一个关键指标。模拟电路或混合电路是SiP最有优势的应用，而这类电路的设计与一般的数字电路相比要求开发团队有足够的技能与经验。设计中要考虑的关键问题之一是载体上元器件的布局和连线，这与印刷电路板上的系统设计相似，需要综合考虑基板上各芯片及元件在高频下信号之间的串扰、噪声、电通路的辐射等问题。关键问题之二是载体内无源器件的设计，需要综合考虑无制作源器件工艺的限制（精度）、品质参数（Q）、共振频率等。

随着模块复杂度的增加和工作频率（时钟频率或载波频率）的提高，系统设计的难度会不断增加，导致产品开发的多次反复和费用的上升。除使用设计软件外，系