SiP工藝分析

SIP 封裝制程按照芯片與基板的連接方式可分為引線鍵合封裝和倒裝焊兩種。

2.1.引線鍵合封裝工藝

引線鍵合封裝工藝主要流程如下:

圓片→圓片減薄→圓片切割→芯片粘結(jié)→引線鍵合→等離子清洗→液態(tài)密封劑灌封→裝配焊料球→回流焊→表面打標(biāo)→分離→最終檢查→測(cè)試→包裝。

• 圓片減薄

圓片減薄是指從圓片背面采用機(jī)械或化學(xué)機(jī)械（CMP）方式進(jìn)行研磨，將圓片減薄到適合封裝的程度。由于圓片的尺寸越來越大，為了增加圓片的機(jī)械強(qiáng)度，防止在加工過程中發(fā)生變形、開裂，其厚度也一直在增加。但是隨著系統(tǒng)朝輕薄短小的方向發(fā)展，芯片封裝后模塊的厚度變得越來越薄，因此在封裝之前一定要將圓片的厚度減薄到可以接受的程度，以滿足芯片裝配的要求。

• 圓片切割

圓片減薄后，可以進(jìn)行劃片。較老式的劃片機(jī)是手動(dòng)操作的，現(xiàn)在一般的劃片機(jī)都已實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化。無論是部分劃線還是完全分割硅片，目前均采用鋸刀，因?yàn)樗鼊澇龅倪吘壵R，很少有碎屑和裂口產(chǎn)生。

• 芯片粘結(jié)

已切割下來的芯片要貼裝到框架的中間焊盤上。焊盤的尺寸要和芯片大小相匹配，若焊盤尺寸太大，則會(huì)導(dǎo)致引線跨度太大，在轉(zhuǎn)移成型過程中會(huì)由于流動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力而造成引線彎曲及芯片位移現(xiàn)象。貼裝的方式可以是用軟焊料（指 Pb-Sn 合金，尤其是含 Sn 的合金）、Au-Si 低共熔合金等焊接到基板上，在塑料封裝中最常用的方法是使用聚合物粘結(jié)劑粘貼到金屬框架上。

• 引線鍵合

在塑料封裝中使用的引線主要是金線，其直徑一般為0.025mm0.032mm。引線的長(zhǎng)度常在1.5mm3mm之間，而弧圈的高度可比芯片所在平面高 0.75mm。

鍵合技術(shù)有熱壓焊、熱超聲焊等。這些技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是容易形成球形（即焊球技術(shù)），并防止金線氧化。為了降低成本，也在研究用其他金屬絲，如鋁、銅、銀、鈀等來替代金絲鍵合。熱壓焊的條件是兩種金屬表面緊緊接觸，控制時(shí)間、溫度、壓力，使得兩種金屬發(fā)生連接。表面粗糙（不平整）、有氧化層形成或是有化學(xué)沾污、吸潮等都會(huì)影響到鍵合效果，降低鍵合強(qiáng)度。熱壓焊的溫度在 300℃400℃，時(shí)間一般為 40ms（通常,加上尋找鍵合位置等程序，鍵合速度是每秒二線）。超聲焊的優(yōu)點(diǎn)是可避免高溫，因?yàn)樗?0kHz60kHz的超聲振動(dòng)提供焊接所需的能量，所以焊接溫度可以降低一些。將熱和超聲能量同時(shí)用于鍵合，就是所謂的熱超聲焊。與熱壓焊相比，熱超聲焊最大的優(yōu)點(diǎn)是將鍵合溫度從 350℃降到250℃左右（也有人認(rèn)為可以用100℃150℃的條件），這可以大大降低在鋁焊盤上形成 Au-Al 金屬間化合物的可能性，延長(zhǎng)器件壽命，同時(shí)降低了電路參數(shù)的漂移。在引線鍵合方面的改進(jìn)主要是因?yàn)樾枰絹碓奖〉姆庋b，有些超薄封裝的厚度僅有0.4mm 左右。所以引線環(huán)（loop）從一般的200 μ m300 μ m減小到100μm~125μm，這樣引線張力就很大，繃得很緊。另外，在基片上的引線焊盤外圍通常有兩條環(huán)狀電源 / 地線，鍵合時(shí)要防止金線與其短路，其最小間隙必須>625 μ m，要求鍵合引線必須具有高的線性度和良好的弧形。

• 等離子清洗

清洗的重要作用之一是提高膜的附著力，如在Si 襯底上沉積 Au 膜，經(jīng) Ar 等離子體處理掉表面的碳?xì)浠衔锖推渌廴疚铮黠@改善了 Au 的附著力。等離子體處理后的基體表面，會(huì)留下一層含氟化物的灰色物質(zhì)，可用溶液去掉。同時(shí)清洗也有利于改善表面黏著性和潤(rùn)濕性。

• 液態(tài)密封劑灌封

將已貼裝好芯片并完成引線鍵合的框架帶置于模具中，將塑封料的預(yù)成型塊在預(yù)熱爐中加熱（預(yù)熱溫度在 90℃~95℃之間），然后放進(jìn)轉(zhuǎn)移成型機(jī)的轉(zhuǎn)移罐中。在轉(zhuǎn)移成型活塞的壓力之下，塑封料被擠壓到澆道中，并經(jīng)過澆口注入模腔（在整個(gè)過程中，模具溫度保持在 170℃~175℃左右）。塑封料在模具中快速固化，經(jīng)過一段時(shí)間的保壓，使得模塊達(dá)到一定的硬度，然后用頂桿頂出模塊，成型過程就完成了。對(duì)于大多數(shù)塑封料來說，在模具中保壓幾分鐘后，模塊的硬度足可以達(dá)到允許頂出的程度，但是聚合物的固化（聚合）并未全部完成。由于材料的聚合度（固化程度）強(qiáng)烈影響材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度及熱應(yīng)力，所以促使材料全部固化以達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，對(duì)于提高器件可靠性是十分重要的，后固化就是為了提高塑封料的聚合度而必需的工藝步驟，一般后固化條件為 170℃175℃，2h4h。

• 液態(tài)密封劑灌封

目前業(yè)內(nèi)采用的植球方法有兩種：“錫膏”+“錫球”和“助焊膏”+ “錫球”。“錫膏”+“錫球”植球方法是業(yè)界公認(rèn)的最好標(biāo)準(zhǔn)的植球法，用這種方法植出的球焊接性好、光澤好，熔錫過程不會(huì)出現(xiàn)焊球偏置現(xiàn)象，較易控制，具體做法就是先把錫膏印刷到 BGA 的焊盤上，再用植球機(jī)或絲網(wǎng)印刷在上面加上一定大小的錫球，這時(shí)錫膏起的作用就是粘住錫球，并在加溫的時(shí)候讓錫球的接觸面更大，使錫球的受熱更快更全面，使錫球熔錫后與焊盤焊接性更好并減少虛焊的可能。

• 表面打標(biāo)

打標(biāo)就是在封裝模塊的頂表面印上去不掉的、字跡清楚的字母和標(biāo)識(shí)，包括制造商的信息、國(guó)家、器件代碼等，主要是為了識(shí)別并可跟蹤。打碼的方法有多種，其中最常用的是印碼方法，而它又包括油墨印碼和激光印碼二種。

• 分離

為了提高生產(chǎn)效率和節(jié)約材料，大多數(shù) SIP 的組裝工作都是以陣列組合的方式進(jìn)行，在完成模塑與測(cè)試工序以后進(jìn)行劃分，分割成為單個(gè)的器件。劃分分割可以采用鋸開或者沖壓工藝，鋸開工藝靈活性比較強(qiáng)，也不需要多少專用工具，沖壓工藝則生產(chǎn)效率比較高、成本較低，但是需要使用專門的工具。

2.2.倒裝焊工藝

和引線鍵合工藝相比較倒裝焊工藝具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）倒裝焊技術(shù)克服了引線鍵合焊盤中心距極限的問題；

（2）在芯片的電源 /地線分布設(shè)計(jì)上給電子設(shè)計(jì)師提供了更多的便利；

（3）通過縮短互聯(lián)長(zhǎng)度，減小 RC 延遲，為高頻率、大功率器件提供更完善的信號(hào)；

（4）熱性能優(yōu)良，芯片背面可安裝散熱器；

（5）可靠性高，由于芯片下填料的作用，使封裝抗疲勞壽命增強(qiáng)；

（6）便于返修。

以下是倒裝焊的工藝流程（與引線鍵合相同的工序部分不再進(jìn)行單獨(dú)說明）：圓片→焊盤再分布→圓片減薄、制作凸點(diǎn)→圓片切割→倒裝鍵合、下填充→包封→裝配焊料球→回流焊→表面打標(biāo)→分離→最終檢查→測(cè)試→包裝。

• 焊盤再分布

為了增加引線間距并滿足倒裝焊工藝的要求，需要對(duì)芯片的引線進(jìn)行再分布。

• 制作凸點(diǎn)

焊盤再分布完成之后，需要在芯片上的焊盤添加凸點(diǎn)，焊料凸點(diǎn)制作技術(shù)可采用電鍍法、化學(xué)鍍法、蒸發(fā)法、置球法和焊膏印刷法。目前仍以電鍍法最為廣泛，其次是焊膏印刷法。

• 倒裝鍵合、下填充

在整個(gè)芯片鍵合表面按柵陣形狀布置好焊料凸點(diǎn)后，芯片以倒扣方式安裝在封裝基板上，通過凸點(diǎn)與基板上的焊盤實(shí)現(xiàn)電氣連接，取代了WB和TAB 在周邊布置端子的連接方式。倒裝鍵合完畢后，在芯片與基板間用環(huán)氧樹脂進(jìn)行填充，可以減少施加在凸點(diǎn)上的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，比不進(jìn)行填充的可靠性提高了1到2個(gè)數(shù)量級(jí)。

SiP——為應(yīng)用而生

3.1.主要應(yīng)用領(lǐng)域

SiP的應(yīng)用非常廣泛，主要包括：無線通訊、汽車電子、醫(yī)療電子、計(jì)算機(jī)、軍用電子等。

應(yīng)用最為廣泛的無線通訊領(lǐng)域。SiP在無線通信領(lǐng)域的應(yīng)用最早，也是應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域。在無線通訊領(lǐng)域，對(duì)于功能傳輸效率、噪聲、體積、重量以及成本等多方面要求越來越高，迫使無線通訊向低成本、便攜式、多功能和高性能等方向發(fā)展。SiP是理想的解決方案，綜合了現(xiàn)有的芯核資源和半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝的優(yōu)勢(shì)，降低成本，縮短上市時(shí)間，同時(shí)克服了SOC中諸如工藝兼容、信號(hào)混合、噪聲干擾、電磁干擾等難度。手機(jī)中的射頻功放，集成了頻功放、功率控制及收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)等功能，完整的在SiP中得到了解決。

汽車電子是SiP的重要應(yīng)用場(chǎng)景。汽車電子里的SiP應(yīng)用正在逐漸增加。以發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）舉例，ECU由微處理器（CPU）、存儲(chǔ)器（ROM、RAM）、輸入/輸出接口（I/O）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）以及整形、驅(qū)動(dòng)等大規(guī)模集成電路組成。各類型的芯片之間工藝不同，目前較多采用SiP的方式將芯片整合在一起成為完整的控制系統(tǒng)。另外，汽車防抱死系統(tǒng)(ABS)、燃油噴射控制系統(tǒng)、安全氣囊電子系統(tǒng)、方向盤控制系統(tǒng)、輪胎低氣壓報(bào)警系統(tǒng)等各個(gè)單元，采用SiP的形式也在不斷增多。此外，SIP技術(shù)在快速增長(zhǎng)的車載辦公系統(tǒng)和娛樂系統(tǒng)中也獲得了成功的應(yīng)用。

醫(yī)療電子需要可靠性和小尺寸相結(jié)合，同時(shí)兼具功能性和壽命。在該領(lǐng)域的典型應(yīng)用為可植入式電子醫(yī)療器件，比如膠囊式內(nèi)窺鏡。內(nèi)窺鏡由光學(xué)鏡頭、圖像處理芯片、射頻信號(hào)發(fā)射器、天線、電池等組成。其中圖像處理芯片屬于數(shù)字芯片、射頻信號(hào)發(fā)射器則為模擬芯片、天線則為無源器件。將這些器件集中封裝在一個(gè)SiP之內(nèi)，可以完美地解決性能和小型化的要求。

SiP在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用主要來自于將處理器和存儲(chǔ)器集成在一起。以GPU舉例，通常包括圖形計(jì)算芯片和SDRAM。而兩者的封裝方式并不相同。圖形計(jì)算方面都采用標(biāo)準(zhǔn)的塑封焊球陣列多芯片組件方式封裝，而這種方式對(duì)于SDRAM并不適合。因此需要將兩種類型的芯片分別封裝之后，再以SiP的形式封裝在一起。

SiP在其他消費(fèi)類電子中也有很多應(yīng)用。這其中包括了ISP（圖像處理芯片）、藍(lán)牙芯片等。ISP是數(shù)碼相機(jī)、掃描儀、攝像頭、玩具等電子產(chǎn)品的核心器件，其通過光電轉(zhuǎn)換，將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后實(shí)現(xiàn)圖像的處理、顯示和存儲(chǔ)。圖像傳感器包括一系列不同類型的元器件，如CCD、COMS圖像傳感器、接觸圖像傳感器、電荷載入器件、光學(xué)二極管陣列、非晶硅傳感器等，SiP技術(shù)無疑是一種理想的封裝技術(shù)解決方案。

藍(lán)牙系統(tǒng)一般由無線部分、鏈路控制部分、鏈路管理支持部分和主終端接口組成，SiP技術(shù)可以使藍(lán)牙做得越來越小迎合了市場(chǎng)的需求，從而大力推動(dòng)了藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用。SiP完成了在一個(gè)超小型封裝內(nèi)集成了藍(lán)牙無線技術(shù)功能所需的全部原件（無線電、基帶處理器、ROM、濾波器及其他分立元件）。

軍事電子產(chǎn)品具有高性能、小型化、多品種和小批量等特點(diǎn)，SiP技術(shù)順應(yīng)了軍事電子的應(yīng)用需求，因此在這一技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)和發(fā)展前景。SiP產(chǎn)品涉及衛(wèi)星、運(yùn)載火箭、飛機(jī)、導(dǎo)彈、雷達(dá)、巨型計(jì)算機(jī)等軍事裝備，最具典型性的應(yīng)用產(chǎn)品是各種頻段的收發(fā)組件。

3.2.SiP——為智能手機(jī)量身定制

手機(jī)輕薄化帶來SiP需求增長(zhǎng)。手機(jī)是SiP封裝最大的市場(chǎng)。隨著智能手機(jī)越做越輕薄，對(duì)于SiP的需求自然水漲船高。從2011-2015，各個(gè)品牌的手機(jī)厚度都在不斷縮減。輕薄化對(duì)組裝部件的厚度自然有越來越高的要求。以iPhone 6s為例，已大幅縮減PCB的使用量，很多芯片元件都會(huì)做到SiP模塊里，而到了iPhone8，有可能是蘋果第一款全機(jī)采用SiP的手機(jī)。這意味著，iPhone8一方面可以做得更加輕薄，另一方面會(huì)有更多的空間容納其他功能模塊，比如說更強(qiáng)大的攝像頭、揚(yáng)聲器，以及電池。

從蘋果產(chǎn)品看SiP應(yīng)用。蘋果是堅(jiān)定看好SiP應(yīng)用的公司，蘋果在之前Apple Watch上就已經(jīng)使用了SiP封裝。

除了手表以外，蘋果手機(jī)中使用SiP的顆數(shù)也在逐漸增多。列舉有：觸控芯片，指紋識(shí)別芯片，RFPA等。

觸控芯片。在Iphone6中，觸控芯片有兩顆，分別由Broadcom和TI提供，而在6S中，將這兩顆封在了同一個(gè)package內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了SiP的封裝。而未來會(huì)進(jìn)一步將TDDI整個(gè)都封裝在一起。iPhone6s中展示了新一代的3D Touch技術(shù)。觸控感應(yīng)檢測(cè)可以穿透絕緣材料外殼，通過檢測(cè)人體手指帶來的電壓變化，判斷出人體手指的觸摸動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)不同的功能。而觸控芯片就是要采集接觸點(diǎn)的電壓值，將這些電極電壓信號(hào)經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)信號(hào)，并根據(jù)坐標(biāo)信號(hào)控制手機(jī)做出相應(yīng)功能的反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)其控制功能。3D Touch的出現(xiàn)，對(duì)觸控模組的處理能力和性能提出了更高的要求，其復(fù)雜結(jié)構(gòu)要求觸控芯片采用SiP組裝，觸覺反饋功能加強(qiáng)其操作友好性。

指紋識(shí)別同樣采用了SiP封裝。將傳感器和控制芯片封裝在一起，從iPhone 5開始，就采取了相類似的技術(shù)。

RFPA模塊。手機(jī)中的RFPA是最常用SiP形式的。iPhone 6S也同樣不例外，在iPhone 6S中，有多顆RFPA芯片，都是采用了SiP。

按照蘋果的習(xí)慣，所有應(yīng)用成熟的技術(shù)會(huì)傳給下一代，我們判斷，即將問世的蘋果iPhone7會(huì)更多地采取SiP技術(shù)，而未來的iPhone7s、iPhone8會(huì)更全面，更多程度的利用SiP技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)內(nèi)部空間的壓縮。

SoC和SIP

自集成電路器件的封裝從單個(gè)組件的開發(fā)，進(jìn)入到多個(gè)組件的集成后，隨著產(chǎn)品效能的提升以及對(duì)輕薄和低耗需求的帶動(dòng)下，邁向封裝整合的新階段。在此發(fā)展方向的引導(dǎo)下，形成了電子產(chǎn)業(yè)上相關(guān)的兩大新主流：系統(tǒng)單芯片SoC（System on Chip）與系統(tǒng)化封裝SIP（System in a Package）。

SoC與SIP是極為相似，兩者均將一個(gè)包含邏輯組件、內(nèi)存組件，甚至包含被動(dòng)組件的系統(tǒng)，整合在一個(gè)單位中。

SoC是從設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，是將系統(tǒng)所需的組件高度集成到一塊芯片上。

SIP是從封裝的立場(chǎng)出發(fā)，對(duì)不同芯片進(jìn)行并排或疊加的封裝方式，將多個(gè)具有不同功能的有源電子元件與可選無源器件，以及諸如MEMS或者光學(xué)器件等其他器件優(yōu)先組裝到一起，實(shí)現(xiàn)一定功能的單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)封裝件。

構(gòu)成SIP技術(shù)的要素是封裝載體與組裝工藝，前者包括PCB、LTCC、Silicon Submount（其本身也可以是一塊IC），后者包括傳統(tǒng)封裝工藝（Wire bond和Flip Chip）和SMT設(shè)備。無源器件是SIP的一個(gè)重要組成部分，如傳統(tǒng)的電容、電阻、電感等，其中一些可以與載體集成為一體，另一些如精度高、Q值高、數(shù)值高的電感、電容等通過SMT組裝在載體上。

從集成度而言，一般情況下，SoC只集成AP之類的邏輯系統(tǒng)，而SiP集成了AP+mobile DDR，某種程度上說SIP=SoC+DDR，隨著將來集成度越來越高，emmc也很有可能會(huì)集成到SIP中。

從封裝發(fā)展的角度來看，因電子產(chǎn)品在體積、處理速度或電性特性各方面的需求考量下，SoC曾經(jīng)被確立為未來電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵與發(fā)展方向。但隨著近年來SoC生產(chǎn)成本越來越高，頻頻遭遇技術(shù)障礙，造成SoC的發(fā)展面臨瓶頸，進(jìn)而使SIP的發(fā)展越來越被業(yè)界重視。

SIP的封裝形態(tài)

SIP封裝技術(shù)采取多種裸芯片或模塊進(jìn)行排列組裝，若就排列方式進(jìn)行區(qū)分可大體分為平面式2D封裝和3D封裝的結(jié)構(gòu)。相對(duì)于2D封裝，采用堆疊的3D封裝技術(shù)又可以增加使用晶圓或模塊的數(shù)量，從而在垂直方向上增加了可放置晶圓的層數(shù)，進(jìn)一步增強(qiáng)SIP技術(shù)的功能整合能力。而內(nèi)部接合技術(shù)可以是單純的線鍵合（Wire Bonding），也可使用覆晶接合（Flip Chip），也可二者混用。

另外，除了2D與3D的封裝結(jié)構(gòu)外，還可以采用多功能性基板整合組件的方式——將不同組件內(nèi)藏于多功能基板中，達(dá)到功能整合的目的。不同的芯片排列方式，與不同的內(nèi)部接合技術(shù)搭配，使SIP的封裝形態(tài)產(chǎn)生多樣化的組合，并可依照客戶或產(chǎn)品的需求加以客制化或彈性生產(chǎn)。

SIP的技術(shù)難點(diǎn)

SIP的主流封裝形式是BGA，但這并不是說具備傳統(tǒng)先進(jìn)封裝技術(shù)就掌握了SIP技術(shù)。

對(duì)于電路設(shè)計(jì)而言，三維芯片封裝將有多個(gè)裸片堆疊，如此復(fù)雜的封裝設(shè)計(jì)將帶來很多問題：比如多芯片集成在一個(gè)封裝內(nèi)，芯片如何堆疊起來；再比如復(fù)雜的走線需要多層基板，用傳統(tǒng)的工具很難布通走線；還有走線之間的間距，等長(zhǎng)設(shè)計(jì)，差分對(duì)設(shè)計(jì)等問題。

此外，隨著模塊復(fù)雜度的增加和工作頻率（時(shí)鐘頻率或載波頻率）的提高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度會(huì)不斷增加，設(shè)計(jì)者除具備必要的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)外，系統(tǒng)性能的數(shù)值仿真也是必不可少的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。