由于集成電路設計水平和工藝技術的提高,集成電路規模越來越大,已可以將整個系統集成為一個芯片(目前已可在一個芯片上集成108個晶體管)。這就使得將含有軟硬件多種功能的電路組成的系統(或子系統)集成于單一芯片成為可能。90年代末期集成電路已經進入系統級芯片(SOC)時代。
20世紀80年代,專用集成電路用標準邏輯門作為基本單元,由加工線供給設計者無償使用以縮短設計周期:90年代末進入系統級芯片時代,在一個芯片上包括了CPU、DSP、邏輯電路、模擬電路、射頻電路、存儲器和其它電路模塊以及嵌入軟件等,并相互連接構成完整的系統。
由于系統設計日益復雜,設計業出現了專門從事開發各種具有上述功能的集成電路模塊(稱做知識產權的內核,即IP核)的工廠,并把這些模塊通過授權方式提供給其他系統設計者有償使用。設計者將以IP核作為基本單元進行設計。IP核的重復使用既縮短了系統設計周期,又提高了系統設計的成功率。
研究表明,與IC組成的系統相比,由于SOC設計能夠綜合并全盤考慮整個系統的各種情況,可以在同樣工藝技術條件下實現更高的系統指標。21世紀將是SOC技術真正快速發展的時期。
近年來由于整機的便攜式發展和系統小型化的趨勢,要求芯片上集成更多不同類型的元器件,如Si-CMOSIC、GaAs-RFIC、各類無源元件、光機
電器件、天線、連接器和傳感器等。單一材料和標準工藝的SOC就受到了限制。近年來在SOC基礎上快速發展的系統級封裝(SiP),即在一個封裝內不僅可以組裝多個芯片,還可以將包含上述不同類型的器件和電路芯片疊在’—起,構建成更為復雜的、完整的系統。
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;
?。?)靈活性和適應性強;
?。?)低成本;
(5)易于分塊測試;
(6)開發周期較短等優點。
SOC和SiP二者互為補充,一般認為SOC主要應用于更新換代較慢的產品和軍事裝備要求高性能的產品,SiP主要用于換代周期較短的消費類產
品,如手機等。SiP在合格率和計算機輔助設計方面尚有待進一步提高。
由于SiP的復雜性,無論是在設計和工藝技術方面都提出了更高的要求。在設計方面需要系統工程師、電路設計、版圖設計、硅技術設計、測試和制造等工程師團隊一起合作共同實現最好的性能、最小的尺寸和最低的成本。首先通過計算機輔助模擬設計采用的IC芯片、功率和無源元件等參數及布局;設計高密度布線中要考慮消除振蕩、過沖、串擾和輻射等;熱耗散和可靠性的考慮;基板材料的選擇(包括介電常數、損耗、互連阻抗等);制定線寬、間距和通孔等設計規則;最后設計出母板的布圖。
SiP采用近十年來快速發展的倒裝焊互連技術,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、熱特性和電學性能好等優點,但費用較高。SiP的另一大優點是可以集成各種無源元件。無源元件在集成電路中的用量日益增加,如在手機中無源元件和有源器件之比約為50:1。采用近年來發展的低溫共燒多層陶瓷(LTCC)和低溫共燒鐵氧體(LTCF)技術,即在多層陶瓷內集成電阻、電容、電感、濾波器和諧振器等無源元件,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以上的芯片疊層結構,在Z方向上進行三維集成。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得到了發展。
SiP以其進入市場快、更小、薄、輕和更多的功能的競爭力, 目前己在工業界得到廣泛地應用。其主要應用領域為射頻/無線應用、移動通信、網絡設備、計算機和外設、數碼產品、圖像、生物和MEMS傳感器等。
到2010年預計SiP的布線密度可達6000cm/cm2,熱密度達到100W/cm2,元件密度達5000/cm2,I/O密度達3000/cm2。系統級封裝設計也像SOC的自動布局布線一樣朝著計算機輔助自動化的方向發展。Intel公司最先進的SiP技術已將五片疊層的閃存芯片集成到1.0mm的超薄封裝內。日本東芝的SiP目標是把移動電話的全部功能集成到一個封裝內。日本最近預測如果全世界LSI系統的1/5采用SiP技術,則SiP的市場可達1.2萬億日元。SiP以其進入市場快的優勢,在未來幾年內將以更快的增長速度發展。我國在加快發展集成電路設計和芯片制造的同時,應當加大系統級封裝的研究和開發。