系统级封装(SiP)的发展前景(上)

电路

——市场驱动因素，要求达到的指标，需要克腰的困难

集成电路技术的进步、以及其它元件的微小型化的发展为电子产品性能的提高、功能的丰富与完善、成本的降低创造了条件。现在不仅仅军用产品，航天器材需要小型化，工业产品，甚至消费类产品，尤其是便携式也同样要求微小型化。这一趋势反过来又进一步促进微电子技术的微小型化。这就是近年来系统级封装(SiP,System in Package)之所以取得了迅速发展的背景。SiP已经不再是一种比较专门化的技术；它正在从应用范围比较狭窄的市场，向更广大的市场空间发展；它正在成长为生产规模巨大的重要支持技术。它的发展对整个电子产品市场产生了广泛的影响。它已经成为电子制造产业链条中的一个重要环节。它已经成为影响，种类繁多的电子产品提高性能、增加功能、扩大生产规模、降低成本的重要制约因素之一。它已经不是到了产品上市前的最后阶段才去考虑的问题，而是必须在产品开发的开始阶段就加以重视，纳入整体产品研究开发规划；和产品的开发协同进行。再有，它的发展还牵涉到原材料，专用设备的发展。是一个涉及面相当广泛的环节。因此整个电子产业界，不论是整机系统产业，还是零部件产业，甚至电子材料产业部门，专用设备产业部门，都很有必要更多地了解，并能够更好地促进这一技术的发展。经过这几年的发展，国际有关部门比较倾向于将SiP定义为：一个或多个半导体器件(或无源元件)集成在一个工业界标准的半导体封装内。按照这个涵义比较广泛的定义，SiP又可以进一步按照技术类型划分为四种工艺技术明显不同的种类；芯片层宗司摘译叠型；模组型；MCM型和三维(3D)封装型。现在，SiP应用最广泛的领域是将存储器和逻辑器件芯片堆叠在一个封装内的芯片层叠封装类型，和应用于移动电话方面的集成有混合信号器件以及无源元件的小型模组封装类型。这两种类型SiP的市场需求在过去4年里十分旺盛，在这种市场需求的推动下，建立了具有广泛基础的供应链；这两个市场在成本方面的竞争也十分激烈。
而MCM(多芯片模组)类型的SiP则是一贯应用于大型计算机主机和军用电子产品方面。MCM已经建立多年，是比较成熟的技术。在这个传统领域MCM将继续获得广泛应用，但是预计也不会显著地向这个领域以外扩大其应用范围。估计汽车电子产品将是其扩展的领地之一。
此外，现在出现了各种各样的有关3D封装的新颖构想。3D封装近来越来越受到人们的关注，成为吸引研究人员注意的焦点，它的进展有助于推动未来系统性能的提高与功能集成的进步。 SiP和系统级芯片(SOC)一样，也已经发展成为推动电子系统集成的重要因素。SiP与SOC相比在某些应用市场有着一定的优势，在这些市场范围内它可以作为一种变通方案代替SOC。SiP的集成方式比较灵活多样，进入市场的周期比较短，研究开发的费用也比较低，NRF费用也比较低，在一些应用领域生产成本也比较低。这是它的优势。但是，SiP这种技术并不能作为一种高级技术完全取代具有更高集成度水平的单芯片硅集成技术SOC，应该把SiP看作SOC技术的一种补充技术。尤其是对于许多产量规模十分巨大，又是以CMOS技术为基础的应用，SOC将仍然是不可取代的优先选择。和大多数新兴的市场一样，对于SiP的应用也仍然有一些关键的属于基础性的问题需要解决和改进，例如，如何在产业链的各个环节上降低成本，如何提高性能与可靠性，以推进市场的进一步口透与扩大。其中也应该包括如何降低高连接线密度基板材料的成本；开发EDA设计工具；开发SiP电特性与机械特性的高速计算机模拟工具并使之与IC设计工具相连接；研究开发晶圆级封装技术；降低专用装配设备的成本；改进包封用材料的性能等问题。
下面将分别介绍对系统级封装(SiP)产品的市场驱动因素，各方面要求SiP达到的目标，以及在发展SiP产业的过程中需要克服的困难。

一．市场驱动因素
在过去的两年里SiP市场规模的增长幅度比一般封装市场的增幅大得多，预计其增长幅度在今后的三年内仍将超过一般封装市场的平均增长幅度。为了抓住这个不断扩大的市场机遇，IDM公司、半导体封装厂商、测试分包厂商，以及EMS(电子产品制造服务)公司等都在向SiP的有关研究开发与扩大生产能力的项目增加投资。但是由于在2000-2002年间遭遇严重的半导体不景气，这些投资还是偏于保守，以至于目前在某些需要大力加强生产能力方面的投资显得不足。目前在生产能力方面呈现明显不足的部分，集中在以下几处：高密度互连线(HDI)多层线路板基板、0201无引出线零部件、高密度组装，以及RF混合信号测试等方面。
从根本上说，推动SiP技术发展的主要动力，是对于电子产品小型化的强烈需求，希望产品体积更紧凑，集成度更高。如果有可能许多厂商还是希望采用能够集成整个系统的硅单片SOC的解决方案。应用CMOS工艺技术实现的SOC，仍然是成本最低，集成度最高的首选。但是这些系统级芯片目前受技术限制，只能局限于数字式逻辑产品。然而，许多系统往往需要具有混合信号功能和模拟的功能，并且在电子产品中还需要应用许多特殊的器件，这些特殊器件往往是不能应用以CMOS工艺技术为基础的制造方法实现的。在这些应用方面，采用SiP技术来制成集成化的子系统，甚至整个系统的模组，是很有竞争力的。在这些关键的应用市场中，SiP预计仍将继续大幅度增长。
RF移动电话一直是SiP增长最快的市场之一。移动电话系统为了达到最高的性能水平，现在在一个简单的无线电系统中，往往混合采用硅，硅锗(SiGe)和砷化镓(GaAs)以及其它无源元件。将这些不同工艺技术制造的零部件制作在一块硅单晶芯片上，目前的技术还不太可能，或者可以说在经济上还不划算。但是采用SiP模组却可以应用表面安装技术(SMT，sllrface mount technology)术集成硅和砷化镓裸芯片，还可以采用嵌入式无源元件，非常经济有效地制成高性能RF系统。这样的模组具有高度的灵活性，有利于系统的划分，分别对其进行优化。并且设计周期与样品制作周期都比较短。对于模组的客户亦即模组组装厂商，采用SiP技术以后，还可以简化装配过程，降低测试的复杂性与难度，同时由于减少了零部件的数目还可以节省整个系统的成本。

对于单纯的数字式电子产品市场，SiP的重要驱动力来自逻辑电路与存储器相结合的产品；为了降低这类产品的成本，提高其集成度往往需要采用SiP。成本的降低是由于SiP可以将几个芯片叠加起来封装在一个封装内，从而减少了零部件的数量；同时也由于采用成本比较低的引线键合或倒叩焊的工艺实现存储器与逻辑电路的连接，从而降低了成本。特别是当系统内芯片之间存在大量的共同连接时，由于能够共用封装提供的I／O，这种方式的SiP是最经济有效的解决方案。除了节省封装的成本以外，这种芯片层叠式封装还可以大量节约电路板面积，降低电路板上互连的复杂程度。
在目前的层叠芯片封装中，有各种各样的叠加芯片的方式。不论采用哪一种叠加方式，都是在对各个零部件进行过测试以后，再使用焊料或者其它连接方法将元件层叠起来再进行封装的。它最大的优势是减少了电路板的面积，降低了电路板的复杂程度。但是，还可以在每个封装内部安排布线，以便更精确地实现I／O的对准。而在线路板上安置裸芯片，一般不能达到很高的精度。
最复杂形式的SiP是MCM。MCM的出现主要是受到改进与提高性能，尽量缩小体积要求的推动。大多数这类应用都采用陶瓷基板，应用倒叩芯片互连技术，可以在比较高的环境温度下运行，具有比较高的可靠性。MCM主要应用于汽车电子、军用系统，以及航天器材。目前基板上的互连密度与半导体芯片上的互连密度间存在相当大的差距，采用MCM技术有助于缩短这个差距。估计在今后的10年以内MCM技术将发展成为真正意义上的3DSiP。这样可以进一步改进系统的性能，提供最高的集成密度。
SiP技术的复杂多样性(在某种程度上)是由于市场要求的多样化所决定的。估计在相当长的时期内，这些纷繁的市场驱动仍然会要求SiP技术继续保持其多种多样性。促使SiP技术继续向多种多样性发展的，近来又新增加了另外一个原因，就是于系统的发展需要将许多新型器件集成到系统中去。例如当前就十分有兴趣将光学器件与电子器件集成在一个SiP之中；也关心将传感器为基础的MEMS(微电子与机械系统)与其它电子零部件一起集成在电子产品内。将来还必然会要求将生物结构、纳米结构，以及化学器件(Chemical devices)集成进来。这些特殊类型的器件和目前的砷化镓或者滤波器器件的情况十分类似。随着12英口晶圆与深亚微米工艺技术的大量被采用，随着其它技术门类的发展，在当前技术大融合的形势下，电子产品将会更为复杂多样。将这些不同类型的各种各样的器件集成在SiP内，看来是最为经济实效的方式。
二．要求达到的指标
根据上述各种不同类型的应用与要求，去年美国电子制造业促进会邀请了一些专家，经过讨论，综合了在设计、装配过程、材料、零部件，以及可靠性等等方面对SiP的不同技术要求，并确定了一组数量不多的指标，并对上述要求加以量化，以便易于参考使用。这些专家分别来自IDM(垂直集成的半导体器件制造司)公司、EMS(电子制造服务)公司、半导体封装/测试承包公司、有关的材料与设备供应公司，以及自各大学和研究机构。这些来自不同产业与机构的专家，带来了有关SiP市场、技术的最新信息，以及围绕了扩展这一新兴技术产业所需要开展的研究工作的规划等等方面的最新观点。现将这些指标列于表1中。由于应用范围十分广，各种应用要求自然有很大的差异；也由于SiP技术发展尚很不成熟，所选择的指标主要考虑能否表明技术的发展趋势，并尽可能和研究团体所追求目标相一致。鉴于SiP发展变化异常迅速，预计在今后两三年内，这些要求很可能会随着技术的发展成熟出现很大的变化。需要及时进行修正。 MCM的最大端口数量是受大型计算机系统与网络市场的要求驱动的。这些复杂的应用系统采用了规模庞大的复杂MCM技术。对于这部分市场，系统的性能是最重要的驱动。I／O端口数量曾经受到大型主机应用的影响，被推进到PCB技术的极限；以后再没有遇到过更高数量的要求，因此没有必要再进一步增加。
RF模组的端口数量主要受RF系统的推动。一般RF系统没有要求很大的I／O端口数量。预计随着模组功能的增加，与预计向数字化接口的转移，RP系统所需求的I／O数量估计将迅速增加，一直达到I／O密度的极限。现在大多数模组产品利用一个周边安置I／O，节距现在为0．5mm。因此预计随着I／O数量的增加，将会在2007年要求节距缩短到0．4mm，以增加I／O的数量。这一改进将影响测试插座、SMT工艺技术，以及电路板母板，要求它们也作相应的改进。
在对于体积缩小要求十分严格的应用领域，它们所使用的存储器容量越来越大。这一要求将SiP内叠加的芯片数提高至极限。不断增大的存储器容量除了增加芯片层叠的数量以外，也在推动晶圆片的减薄，改进芯片焊接，以及改进引线键合工艺技术，以便改善芯片层叠封装的装配过程。
在模组SiP内安装的芯片数量，由于预计到许多应用将逐步转向采用集成水平更高的SOC芯片，因此模组内的总芯片数增加至一定数量以后将会逐步减少。这时出现的一个重要转变是将在模组内引入传感器之类的特殊器件，以改进系统的功能。这些特殊器件，估计将采用晶圆级封装，并且是可以采用SMT技术进行装配的。但是如果晶圆级封装一时还不能被采用，则这时模组内所安置的总芯片数可能增加。

现在嵌入式无源元件正在日益广泛地应用于SiP，它们可以被安置在陶瓷基板或有机多层板基板上，甚至也可以安置在引线框架上。但是在不同的基板上安置的无源元件的类型与复杂程度却有着明显的不同。在引线框上所形成的电感器，大都是简单的螺旋形状的导电体，电感的数值范围很有限。对于有机材料的多层板基板，可以安置的电感器类型与电容器结构就比较宽，采用新的电介质材料的电容器结构也已开始出现。对于陶瓷基板的MCM，则可以安置的电阻器、电容器，和电感器类型就更为广泛了；它还可以采用不同的特殊电介质，因此元件类型也更广泛。对于嵌入式元件最为重要的共同要求，则是缩小参数公差和降低成本。此外，专家们还对今后10年左右时间内，SiP的主要性能特征进行了预测。现将其预测的主要特性指标列于表2。
零部件是根据对系统的要求所明确地需要推进技术发展进步的一个领域。现在有一些有关零部件的技术立足于采用新的材料，可以增加电容器的电容量以满足系统的发展需要，但是不能达到降低成本的目标。现在也有一些技术，确实可以改进插入损耗(例如RF应用方面基于MEMS技术的开关器)，提供比较高的Q因子；但是这些技术还需要进一步开发以便降低成本，提高性能，满足所要求的指标。
三.需要解决的困难
设计工具
可以用于芯片与封装协同设计的集成化设计工具目前还没有，这是在采用SiP的早期就需要解决的问题之一，也是当前的一项重要的关键项目。有几家EDA厂商现在已经有一些标准的工具，可以应用于SiP的设计。例如，版图设计工具、DRC验证工具、电性能分析工具，以及与机械特性分析工具的连接工具等，可以应用于现在正在进行的SiP设计。随着SiP复杂性的增加与性能的提高，需要改进这些工具的性能，以便能够更迅速地进行3D电性能与机械性能的仿真。为了能够计算制造误差对电性能的影响需要大幅度改进这些工具的仿真能力，例如，基
板尺寸的细微变化对于RF电路电性能的影响等。此外还需要开发一些新型的设计工具，以便能够将不同种类的技术集成在一起。这些工具可以用来设计复杂的SiP，这些SiP可能包括有半导体器件、MEMS元件、光学元件，甚至还包括生物器件。这些工具还应该能够用来进行产品概念构思阶段的分析比较，以便设计人员能够对不同的设计方案权衡利弊，分析得失，对各种不同类型方案的性能、成本、可靠性，以及风险程度进行计算。
（未完待续）

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