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系统级封装_SOP_技术及应用

系统级封装(SOP)技术及应用

陈萍

(华东电子工程研究所,安徽合肥 230031)

摘要:本文介绍了一种新兴的封装技术—SOP(系统级封装)。SOP封装的是系统,不是板。SOP封装技术克服了多芯片模块(MCM)、系统级芯片(SOC)、系统封装(SIP)和传统系统封装在计算和集成上的限制。本文简述了SOP面临的挑战、应用和发展前景。

关键词:聚合电子系统,多芯片模块(MCM),SOC,系统封装(SIP),系统级封装(SOP)System on Package(SOP)Technologies and its Application

Chen Ping

(East China Research Institute of Electronic Engineering,Hefei 230031,China)

Abstract: A new emerging concept called system on package(SOP)are introduces in this paper. With SOP,the package,not the board,is the system. The SOP package overcomes both the computing limitations and integration limitations of SOC,SIP,MCM,and traditional system packaging. This simply reviewed SOP facing challenges and the developmental prospects.

Key words: convergent electronics systems,multichip modules(MCM),system in package(SIP),system on chip(SOC),system on package(SOP).

0 引言

近年来,随着大规模集成电路、半导体芯片制造/加工、集成、封装技术的不断进步,电子系统/整机逐步显现出多功能、高性能、小型化、轻型/便携式、高速、低耗和高可靠性发展趋势。更小、更薄、更轻的多功能射频/无线、微波/毫米波、移动通信、网络设备、计算机外围设备、数码产品、生物/医学和MEMS、传感器等电子设备逐渐地进入了市场。这不仅要求半导体芯片能集成更多不同类型的元器件,也对保护芯片、增强导热性能、起到芯片间和外围电路的桥梁等作用的封装提出了更高的要求。

封装是半导体工业最基本的、不可或缺的组成部分。它对电子产品的频率、功耗、复杂性、可靠性和成本等都有着十分重要的影响,也是极为关键的行业竞争因素之一。封装技术的进步与IC快速发展相一致,封装技术已从20世纪70年的DIP(Dual in package双列直插封装)和PGA(Pin Grid array针栅阵);80年代的QFP(Quad Flat Pack四方扁平封装);90年代的(Ball Grid Array球栅阵)、20世纪末的CSP(芯片尺寸封装)、MCM(多芯片

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模块)、SOC(system on chip系统级芯片)、SIP(system in package系统封装)发展到21世纪初的SOP(system on package 系统级封装)。封装技术已由原来的单片IC、离散组件封装集成发展到多芯片、系统集成,高密度、高可靠性和高性能封装。随着封装技术的不断进步,IC和整机性能和效率大大地提高。以封装的效率为例(IC面积与系统级板面积之比),也已从2%(DIP)、5%(QFP)提高到的80%(SOP)[1]。

然而,随着微电子技术、芯片制造等技术的进步,包括SOC和SIP在内的新型封装技术在一定程度仍受到了集成和计算的限制,已不能完全满足微电子产品小型化的需求,阻碍电子产品小/微型化的发展进程。最新封装技术—SOP(System on Package)在一定程度上克服了其他封装技术在集成和计算上的缺点,已成为未来封装业发展的新趋势。

1 电子产品及及封装发展趋势

纵观近十年来从蜂窝电话到生物医学系统、计算机、网络、通信及相关电子产品的发展,我们有理由相信,今后十年现代生活更加依赖于新型RF/微波和毫米波、无线通信和传感器等应用技术。这些未来电子产品将包括多种多样的组件:数字/信号处理器、存储器和ASIC/LSIC/SLSI(Application Specific Integrated Circuits ASIC特定用途集成电路,Large Scale Integrated Circuits LSIC大规模集成电路,Super Large-Scale Integrated Circuits SLSI超大规模集成电路)、总线和互连、外围设备和接口、RF前端/微波处理器、离散组件(L,C,R(电感,电容,电阻))、微机电组件(MEMS)、显示器等等。利用这些组件设计出的电子系统同样也具有多种多样的特性:

技术混合—数字、模拟、RF、光电、微机电、无源嵌入技术;

频率混合—几百MHz数字组件到几百GHz的微波/RF组件;

信号混合—非常高的数字电路与超低噪声放大器RF电路共存;

结构混合—不同驱动模式结构混合:计算的模式受事件驱动、数据驱动和时间驱动;

有规则与无规则结构混合:功能、形状折中后安装在多个计算单元和多个设计层次的结构混合;

设计混合—电子设计与物理的热设计混合。

概况地说,电子产品已从过去的离散系统发展到现今的小微型/便携“聚合系统”(Convergent Systems)。过去的离散系统是用计算机完成数据计算、电信提供语音通信和消费产品提供便携式产品的音频和视频及其他功能,而现今的便携式和无线系统则将计算机、通信、消费和生物产品等功能聚合到一个封装或产品上,如蜂窝电话。聚合电子设备涉及到消费品、基础设施、汽车、宇航和生物等行业,包括带蜂窝电话的个人数字助理、GPS、传感器、Web mail 通道和灵巧医用输液等等。

未来封装焦点集中在数字聚合系统封装。前面我们提到的SOC 、MCM 、SIP 和SOP 就是四种聚合形式。图1示出这四种聚合系统结构,其中SOC是基于单芯片上的完整系统;MCM基于组件互连;SIP基于堆叠芯片/封装;SOP则是系统最小化,IC功能最优化,对于IC也是最佳的新兴封装技术。

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图1 (a )基于单芯片上完整系统的SOC ;(b )基于组件互连的MCM ;(c )降低了形成因子,

基于芯片堆叠的SIP ;(d )IC 和封功能最佳,系统最小,最佳IC 封装技术—SOP

1.1 SOC (System-on-Chip 系统级芯片)

SOC 是基于单芯片上完整系统,是的指在单一芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和I/ O 接口等功能。即在单一芯片上集成数字和模拟混合电路、信号采集和转换、I/ O 接口、存储器、MCU (Microcontroller 微控制器)和DSP (digital signal processor 数字信号处理器)等IC 。这是半导体集成电路技术上的一个巨大突破。SOC 与单功能芯片相比有如下优点[2]:

功能增加:从单一功能增加到多种功能,在单芯片上可实现天线切换、锁相回路、

本地振荡、解调变处理、调变处理和帧处理等功能。

提高了性能指标:SOC 是从整个系统的角度进行设计的,可实现更高性能的系统

指标。

体积减少:降低所占的印制电路板(PCB )空间,减少了整机的体积。

降低成本。由于用SOC 可减少外围电路芯片,因而降低了整机的成本。

虽然SOC 设计概念给电子系统设计带来了高性能、低成本等优势,但高度集成也增加了功耗、布线和复杂化等设计难度。

1.2 MCM(Multichip Module多芯片模块)

MCM基于组件互连。它的发明要追溯到20世纪70年代,它是将多只已知好管芯(Known Good Die,KGD)封装在多层互连基板上,并与其他元器件一起构成具有部件或系统功能的多芯片组件。IBM发明MCM是因为芯片较大,在原始的硅晶片上不可能批量生产,发明MCM唯一的目是将好裸芯IC直接重组到一个陶瓷封装上。最初的MCM是水平。

MCM与高性能IC间常用裸线,有专门设计的通用基材对芯片提供机械支撑和多层导体互连。MCM可提供非常密集的IC芯片互连,具有高性能、小型化、兼容性好、可靠性高等优点。根据装配的基板,MCM可分共烧MCM(简称MCM-C)、叠层MCM(简称MCM-L )和淀积MCM(简称MCM -D)和混合型MCM(MCM-C/D)。

1.3 SIP(System in Package系统封装)

SIP基于堆叠芯片/封装,降低了形成因子,也是一种先进的封装技术。在一个封装中组合多种IC芯片和多种电子元器件(如分立元器件和埋置元器件)以实现多种功能。SIP模块多采用塑料阵列封装(PBGA)和芯片阵列(Chip Array)封装形式,它可以用倒装片、金属线焊、层叠式管芯、陶瓷衬底、球栅阵列(BGA)封装或凸缘栅格阵列(Land Grid Array LGA)等封装技术来集成各种芯片(如数字电路、DRAM、微机电系统)和分立器件。SIP具有如下优点[3]:

同一封装内封装了多种IC裸片,免去冗余封装;

同一封装内IC间距变小,减小了互连;

封装内的元器件互相堆叠,提高了封装密度,节省了封装基板面积。

与SOC相比,SIP可提供更多新功能,具有兼容性好、灵活性和适应性强、低成本、易于分块测试和开发周期较短等优点。在RF系统前端应用中,SIP封装技术可以减少管脚数目、滤波器和偏置部分所需无源的器件,简化了封装,保证了RF芯片功能的完整性。

1.4 SOP(System on Package 系统级封装)

与作为最佳的IC封装集成的SIP相比,SOP是系统级封装。SOP看作优于MCM和SIP 的系统集成的莫尔理论[4]。SOP克服了局限于CMOS处理和封装集成的SOC、SIP和MCM 缺点,是迄今为止最佳的封装形式,它成本低、性能高、尺寸小,可靠性高,是集成RF、光学和某些数字组件的最佳平台。

SOP能集成多个系统功能到紧凑、轻量、薄廓线、低成本、高性能封装系统。系统设计具有高性能数字逻辑、存储、图形和模拟信号和RF和视频以及宽带光学功能。与SOC不同,由于功能组件都是分开集成到SOP封装上的,集成这些全异的技术不需要性能折中。所以虽然SOP是最小化系统封装,但封装IC的功能最佳。SOP系统设计时间短,测试简单,能快速地进入市场,也能更灵活地应用其他新技术。

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2 SOP 封装技术概述及发展前景

SOP 是一种新型微系统集成技术范例—今后十年小型化系统集成莫尔理论的聚合系统[4]。美国乔治亚理工大学利用美国国家科学基金自1994年就通过薄膜封装嵌入RF 、光学和某些组件开始了最初称为集成MCM 现今称为SOP 的研究。至今,大多数SOP 成果仍然源自于乔治亚理工大学封装研究中心(PRC )联盟及合伙人。目前,PRC 与从事SOP 研发工作的50多个全球半导体、封装和系统公司、250多位博士/硕士和30多位来自电子、机械工程、材料和化学工程的专家学者一起研究并制造了价值$30000的SOP 基原型,并用首部集成光、RF 和数字功能模块在宽带智能网络通信机(INC )上验证了SOP 技术。PRC 希望到2007年,SOP 概念能得到更广泛更全面的应用。

SOP 是基于系统聚合、需要超过SOC 和IC 封装设计和集成发展而成的[4]。

系统聚合:综合便携式系统的明显趋势是将计算机、电信、和消费者功能的数据、视

频和的声音聚合。这些系统要求在每个组件上聚合数字、光、RF 和MEMS 等技术。视频蜂窝电话就是这种需要的最好实例。

需要超过SOC :IC 集成经过40多年的发展,已从单个晶体管芯片到1亿个晶体管芯

片,未来的发展是全功能的十亿晶体管芯片。有效数字、RF 、模拟和其他功能在单芯片集成能提高下一代聚合系统性能,降低成本。未来的微电子封装应是在新一代微小尺寸板上聚合单组件IC 集成系统。

IC 封装联合设计和集成:SOP 是最好的芯片和封装集成。已验证的功能互连(global

wiring )(一般为5-10微米)、功率、基板和时钟分配在SOP 基片上费效集成好于在IC 上。SOP 基片同样也植入RF 和光组件,包括滤波器、谐振器、天线、波导、光栅、光探测器和开关。

2.1 SOP 与SOC 、SIP 、MCM

SOP 、SOC 、SIP 、MCM 和3D 的最终目的都是多功能、小型化、低成本集成,只是集成的方式不同。如图2所示,SOC 是最佳的芯片集成,SIP 、MCM 和3D 封装是最佳的IC 封装集成,而SOP 则是最佳的IC-封装-系统集成。

图2 SOP 、SOC 、SIP 、MCM 和3D 封装

严格地说,SOP也是一种MCM,但它是增加了系统复杂性的系统级集成MCM。另外,SOP采用了比今天的MCM更先进的封装技术。MCM定义的是一种新的工艺技术,并不包括先进的设计方法,而SOP不仅采用了先进的封装技术制作,而且也采用新型设计方法设计。SOP芯片和封装基片根据最好性能和最小的成本在总体设计中使设计最优,对于模块它是最佳的方案。

SOC对SOP本身就是一个挑战,SOC能将数字、RF、模拟和其他功能集成在一块芯片上,芯片设计师认为SOC是系统集成最终的目的。现今,SOC方案是最令人满意的,特别是在低成本无线应用上。遗憾是,许多技术阻碍了SOC实现。比如:SOC不仅难以统一和处理混合数字-模拟-RF-微波系统需求和规格结构,也难以集成噪声数字电路与RF/模拟电路,也存在机械/热制造、RF电路无源组件质量因子(Q)和功率间的折中、在微伏范围的RF电路不同信号的集成间隔离和硅基板有限电阻系数导致的基板耦合等问题。这些问题用SOP采用嵌入过滤和退耦技术非常容易解决。采用低损耗介质和敷铜已验证了Q值在100~400范围的低功率方案的SOP [4]。

随着数字处理速度的提高,在封装中嵌入光波导有可能实现光直接进入处理器,可能也会促进某些问题的解决。与复杂的SOC相比,SOP能柔性设计也易重新设计。SOP能低成本地将性质相反的技术集成在一起,消除了高电阻系数封装基板和集成高性能、低成本和低寄生无源大型基板耦合。

然而,这并不能说明SOP优于SOC方案,SOP也依赖于实现技术和应用,SOC和SOP 不是两种竞争技术,实际上,当封装的是一个系统芯片时,SOC就是SOP的一种特殊形式。

SIP能进一步嵌入有源和无源组件,但嵌入的无源组件可能体积大并多为厚薄膜离散组件。SIP和SOP的区别在于SOP包括有源和无源嵌入,但无源是通过在微刻度和纳米刻度的超薄薄膜合并的,是以增大组件密度为目的。也就是说,如果嵌入薄膜且不厚的块状离散组件,SIP就是SOP。形象地说,当水平SIP-SIP连线和嵌入薄膜组件包括在基板上时,SIP就变成了SOP。

2.2 SOP 特点与挑战

SOP是由薄膜组件集成的超小系统,是等同于集成电路莫尔理论的系统集成莫尔理论。SOP将当前以芯片为中心的系统级芯片(SOC)方式转变为廉价、快速进入市场IC封装系统。SOP具有设计简单、低成本、高系统功能集成和较好的电性能等特性,也没有SOC众多的IP问题。同时SOP也具有三维(3D)封装和SIP的优点,当前可用离散和块状组件无源和有源集成,而SOP未来将最终采用薄膜3D组件集成,如图3所示。SOP致力于单功能以及相同/异系统功能集成,优化了数字、RF、光、传感器和其他晶体管和封装IC。近期目标是微尺度封装,远期目标则是在纳米尺度。

虽然SOP与传统封装技术相比有许多优点,然而,这种技术从设计到技术也面临着一些新的挑战。

(1)设计挑战

EMI/EMC问题:在未来的SOP产品中,RF前端、模拟和高速数字芯片将集成在一个紧凑的封装模块上。混合信号包括高振幅、噪声数字信号和低振幅灵敏的模拟信号。

高速数字电路的开关电流达到GA/s,而模拟/ RF信号小到μV和μA。在这种紧凑的系统中,电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)变成一个大问题,甚至在纯数字系统·188·

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中,在较好的互连和高操作速度上要保持信号的完整具有极大的挑战性。

设计工具:芯片的设计及封装总是用不同的CAD 工具和方法分开设计的,而芯片的

I/O 是高速系统的瓶颈。所以,未来作为整体设计的SOP ,CAD 工具面临着在整个设计计划中优化所有的芯片和封装设计挑战。

(2)技术挑战

低寄生和精密互连:现今高速数字信号已覆盖很宽的频率范围。由于互连电感和电容

寄生将大大地降低互连的带宽。为了保证这种高速信号和传输及准确性,必须着力研究低寄生和精确互连技术。

功率消耗和热可靠性:随着芯片尺寸和封装尺度的降低,时钟频率信号上升,电子产

品在功率密度上显著增大。功率消耗和集成电路散热并保持可接受的连接温度对于半导体和系统制造是一个巨大的挑战。

高密度互连基板:芯片的复杂程度增加,I/O 脚数也增加,系统级互连的配线体系更

复杂。那么当芯片迁移到SOP 上时,由于基板的尺寸和系统尺寸缩小。为了能在降低基板尺寸上的系统基板上提供足够的互连线,需要高密度的互连基板。 2.3 未来十年小型化、混合信号、通信和消费系统的SOP 应用前景

随着集成电路和电子器件微小型化发展,电子系统的体积和质量不断减小,性能不断提高,电子器件进一步朝着轻、薄、小、巧的方向发展。人们已经不满足局部系统互连,希望能通过先进的封装技术达到整个系统互连。从单芯片发展到多芯片封装,从平面封装发展到3D 封装,从单系统芯片封装到系统级封装(SOP )已成为今后封装技术的发展趋势。

从蜂窝电话到生物医学系统,现代生活越来越依赖与复杂技术相关联的单机电子产品。这些复杂的电子产品能提供小型、高度集成系统计算、通信、生物医学和消费功能。基于系统聚合的SOP ,系统最小化,IC 功能最优化,对于IC 也是最佳的封装技术。SOP 概念不是一个大的基板,而是作为系统和单模块进行全系统封装;不是离散组件互连的装配,而是在

图3 SOP 薄膜3D 组件集成示意图

较小封装上连续溶入不同的集成薄膜技术。一般来说,衡量IC标准认为最好的是晶体管密度,而衡量SOP封装则认为最好的是RF、光学和某些数字功能集成。专家预测,在未来十年,SOP将在微/小型无线通信、传感器和消费电子等产品发展中得以广泛应用。

参考文献

[1] Xin zhong Duo. “System-on-Package Solutions for Multi-Band RF Front-End”[M] ISSN 1651-4076 2005

[2] 翁寿松. “系统级芯片最引人关注的IC” 微电子技术 [J] 2000年01期 P6-12

[3] 陈国辉,郑学仁,刘汉华,郑健. “射频系统的系统级封装”. 电子产品可靠性与环境试验[J],2005年01

期 P29-33

[4] Rao R. Tummala. “SOP: What Is It and Why? A New Microsystem-Integration Technology Paradigm-

Moore’s Law for System Integration of Miniaturized Convergent Systems of the Next Decade” IEEE Transactions on Advanced Packaging [J],Vol.27,No.2,May 2004 P241-249

作者简介:

陈萍,女,1962年生,1980年毕业于贵州省黔东南师范学院,现在中国电子科技集团公司第38研究所工作,主要从事情报研究。

chen_ping_1999@https://www.doczj.com/doc/c49462926.html, 0551-******* 130********

通信地址:安徽省合肥市9023信箱60分箱 230031

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