1? SiP

1.1 SiP 技術

SiP可以說是先進的封裝技術、表面安裝技術、機械裝配技術的融合。根據ITRS（International Technology Roadmap for Semiconductors）的定義：系統級封裝是多個具有不同功能的有源電子元件的組合，組裝在一個單元中，提供與系統或子系統相關的多種功能。一個SiP可以選擇性地包含無源器件、MEMS、光學元件以及其他封裝和設備。

SiP 封裝技術采取多種裸芯片或模塊進行排列組裝，若就排列方式區分可大體分為平面式2D封裝和3D封裝的結構。采用堆疊的3D技術可以增加使用晶圓或模塊的數量，從而在垂直方向上增加可放置晶圓的層數，進一步增強SiP技術的功能整合能力；而其內部接合技術可以是單純的線鍵合（Wire Bonding），也可使用倒裝鍵合（Flip chip），也可二者混用。如下圖2.17 SiP芯片封裝示意圖。

圖2.17 SiP封裝結構圖

除了2D和3D的封裝結構外，另一種以多功能性基板整合組件的方式，也可納入SiP的范圍。此技術主要是將不同組件內藏于多功能基板中，亦可視為是SiP的概念，達到功能整合的目的。不同的芯片，排列方式，與不同內部結合技術搭配，使SiP 的封裝形態產生多樣化的組合，并可按照客戶或產品的需求加以客制化或彈性生產，如下圖2.18所示。

圖1 SiP封裝技術

SiP技術路線表明，越來越多的半導體芯片和封裝將彼此堆疊，以實現更深層次的3D封裝。圖2.19 是8芯片堆疊SiP，將現有多芯片封裝結合在一個堆疊中。微晶片的減薄化是SiP增長面對的重要技術挑戰。現在用于生產200mm和300mm微晶片的焊接設備可處理厚度為50um的晶片，因此允許更密集地堆疊芯片。

圖2 8芯片堆疊SiP

1.2 SiP 封裝優勢

在IC封裝領域，是一種先進的封裝，其內涵豐富，優點突出，已有若干重要突破，架構上將芯片平面放置改為堆疊式封裝，使密度增加，性能大大提高，代表著鳳凰技術的發展趨勢，在多方面存在極大的優勢特性，體現在以下幾個方面。

1）SiP 實現是系統的集成。采用要給封裝體來完成一個系統目標產品的全部互聯以及功能和性能參數，可同時利用引線鍵合與倒裝焊互連技術以及別的IC芯片堆疊等直接內連技術，將多個IC芯片與分立有源和無源器件封裝在一個管殼內。

2）封裝面積增大，SiP在同一個封裝種疊加兩個或者多個芯片。把垂直方向的空間利用起來，同時不必增加引出管腳，芯片疊裝在同一個殼體內，整體封裝面積大大減少。

3）采用超薄的芯片堆疊與TSV技術使得多層芯片的堆疊封裝體積減小，最先進的封裝技術可以實現多層芯片堆疊厚度。

4）SiP 可將不同的材料，兼容不同的GaAs，Si，InP，SiC，陶瓷，PCB等多種材料進行組合進行一體化封裝。

5）所有元件在一個封裝殼體內，縮短了電路連接，見笑了阻抗、射頻、熱等損耗影響。提高了光，電等信號的性能。

6）短產品研制和投放市場的周期，SiP在對系統進行功能分析和劃分后，可充分利用商品化生產的芯片資源，經過合理的電路互連結構及封裝設計，易于修改、生產，力求以最佳方式和最低成本達到系統的設計性能，無需像SoC那樣進行版圖級布局布線，從而減少了設計、驗證、調試的復雜性與系統實現量產的時間，可比SoC節省更多的系統設計和生產費用，投放市場的時間至少可減少1/4；

1.3 SiP 封裝種類

SiP涉及許多類型的封裝技術，如超精密表面貼裝技術（SMT）、封裝堆疊技術，封裝嵌入式技術、超薄晶圓鍵合技術、硅通孔（TSV）技術以及芯片倒裝（Flip Chip）技術等。 封裝結構復雜形式多樣，圖2.20所示為基本的幾種分類形式。

圖3 SiP幾種分類形式

從上面也可以看到SiP是先進的封裝技術和表面組裝技術的融合。SiP并沒有一定的結構形態，芯片的排列方式可為平面式2D裝和立體式3D封裝。由于2D封裝無法滿足系統的復雜性，必須充分利用垂直方向來進一步擴展系統集成度，故3D成為實現小尺寸高集成度封裝的主流技術。3D主要有三種類型：埋置型、有源基板型、疊層型。其中疊層型是 當前廣泛采用的封裝形式。疊層型是在2D基礎上，把多個裸芯片、封裝芯片、多芯片組件甚至圓片進行垂直互連，構成立體疊層封裝。可以通過三種方法實現：疊層裸芯片封裝、封裝堆疊直連和嵌入式3D封裝。業界認定3D封裝是擴展SiP應用的最佳方案，其中疊層裸芯片、封裝堆疊、硅通孔互連等都是當前和將來3D封裝的主流技術。

并排放置（平面封裝）的 SiP 是一種傳統的多芯片模塊封裝形式，其中使用了引線鍵合或倒裝芯片鍵合技術。這種結構的主要優點是使數據傳輸率更高。對于具有 GHz 級信號傳輸的高性能應用，導體損耗和介電損耗會引起信號衰減，并導致低壓差分信號中的眼圖不清晰。信號走線設計的足夠寬以抵消GHz傳輸的集膚效應，但走線的物理尺寸，包括橫截面尺寸和介電層厚度都要精確制作，以更好的與spice模型模擬相互匹配。另一方面，晶圓工藝的進步伴隨著核心電壓較低的器件，這導致噪聲容限更小，最終導致對噪聲的敏感性增加。散布在芯片上的倒裝凸塊可作為具有穩定參考電壓電平的先進芯片的穩定電源傳輸系統。

對于堆疊結構，可以區分如下幾種：芯片堆疊、PoP、PiP、TSV。

1）堆疊芯片

是一種兩個或更多芯片堆疊并粘合在一個封裝中的組裝技術。這最初是作為一種將兩個內存芯片放在一個封裝中以使內存密度翻倍的方法而開發的。 無論第二個芯片是在第一個芯片的頂部還是在它旁邊，都經常使用術語“堆疊芯片”。技術已經進步，可以堆疊許多芯片，但總數量受到封裝厚度的限制。芯片堆疊技術已被證明可以多達 24 個芯片堆疊。然而，大多數使用9 芯片高度的堆疊芯片封裝技術的來解決復雜的測試、良率和運輸挑戰。芯片堆疊也廣泛應用在傳統的基于引線框架的封裝中，包括QFP、MLF 和 SOP 封裝形式。如下圖2.21的堆疊芯片封裝形式。

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圖4 堆疊芯片封裝結構

2）PoP(Package-on-Package)

是用于將邏輯器件和存儲器器件進行疊層封裝的技術。通常情況下底層多為邏輯器件，例如移動電話基帶（調制解調器）處理器或應用處理器，上層為存儲器，例如閃存或者疊層內存芯片。顯然，這種垂直組合封裝的一個優點是節省了電路板空間。適用于需要在更小空間內實現更多功能的應用，例如數碼相機、PDA、MP3 播放器和移動游戲設備等。

圖5 PoP芯片封裝結構

PoP封裝技術有以下幾個有點：

1）存儲器件和邏輯器件可以單獨地進行測試或替換，保障了良品率；

2）雙層POP封裝節省了基板面積, 更大的縱向空間允許更多層的封裝；

3）可以沿PCB的縱向將Dram,DdramSram,Flash,和 微處理器進行混合裝聯；

4）對于不同廠家的芯片, 提供了設計靈活性,可以簡單地混合裝聯在一起以滿足客戶的需求，降低了設計的復雜性和成本；

5）目前該技術可以取得在垂直方向進行層芯片外部疊加裝聯；

6）頂底層器件疊層組裝的電器連接，實現了更快的數據傳輸速率，可以應對邏輯器件和存儲器件之間的高速互聯。

POP的工藝流程

PoP的組裝方式目前有兩種。一種是預制PoP工序，即先將PoP的多層封裝堆疊到一起，焊接成一個元器件，再貼裝到PCB上，最后再進行一次回流焊。一種是在板PoP工序上，依次將底部的BGA和頂部BGA封裝在PCB上，然后過一次回流焊。

3）PiP (Package In Package)

?一般稱堆疊封裝又稱封裝內的封裝，還稱器件內置器件，是在同一個封裝腔體內堆疊多個芯片形成3D 封裝的一種技術方案。封裝內芯片通過金線鍵合堆疊到基板上，同樣的堆疊，通過金線再將兩個堆疊之間的基板鍵合，然后整個封裝成一個元件便是PiP（器件內置器件）。PiP封裝技術最初是由KINGMAX公司研發的一種電子產品封裝技術，該技術整合了PCB基板組裝及半導體封裝制作流程，可以將小型存儲卡所需 要的零部件（控制器、閃存集成電路、基礎材質、無源計算組件）直接封裝，制成功能完整的Flash存儲卡產 品。PiP一體化封裝技術具有下列技術優勢：超大容量、高讀寫速度、堅固耐用、強防水、防靜電、耐高溫等， 因此常運用于SD卡、XD卡、MM卡等系列數碼存儲卡上。

PiP封裝的優點：

1）外形高度較低；

2）可以采用標準的SMT電路板裝配工藝；

3）單個器件的裝配成本較低。

PiP封裝的局限性

（1）由于在封裝之前單個芯片不可以單獨測試，所以總成本會高（封裝良率問題）；

（2）事先需要確定存儲器結構，器件只能有設計服務公司決定，沒有終端使用者選擇的自由。

圖2.23 PiP封裝結構

4）TSV

W2W的堆疊是將完成擴散的晶圓研磨成薄片，逐層堆疊而成。層與層之間通過直徑在10μm以下的細微通孔而實現連接。此種技術稱為TSV（Through silicon via）。與常見IC封裝的引線鍵合或凸點鍵合技術不同，TSV能夠使芯片在三維方向堆疊的密度更大、外形尺寸更小，并且大大改善芯片速度和降低功耗，成為3D芯片新的發展方向。如圖2.24所示，堆疊的三層芯片通過硅通道互連。

圖6 3D芯片TSV堆疊