李振华+刘小刚+杨宁

摘要：系统级封装（System in Package，SiP）技术能够将不同种类以及功能的电子元器件集成到一个系统中，形成一个完整的系统，这是一项前景广阔的技术。其优点也十分显著：设计编辑、制作周期短、有较高的兼容性等等，已经得到越来越多的使用。本次文章通过SiP技术的了解，探讨了该技术的发展与应用。

关键词：系统级封装；SiP关键技术；技术发展；技术应用

1 引言

在早起的封装理念中，将芯片组装在密封的容器内，容器的材质有金属、塑料等，使芯片能够正常与外界的机械、电、热关联上，并保证功能正常运转。现如今封装技术迅猛发展，使得市场对其的要求也越来越高，体积小、耗能低、功能多、速度快已经成为目前的发展趋势。市场上常见的电子产品，尤其是可便携式的产品，都要求微小化，同样，在军工产业也需要微小化。这种趋势又进一步促进了技术的发展，业内相关商家对此的关注度也越来越高，开发的商家也呈现几何倍数的增长。这就是最近几年系统级封装技术得意迅猛发展的原因。

在IC封装领域，SiP是一种内涵丰富、优势突出的先进封装，主要归纳为以下几点：

（1）实施系统集成。多个集成电路芯片和分立器件和无源元件集成在一个封装中，并且可以堆叠在多个裸芯片上，并且可以在有多个封装体的情况下，直接进行堆叠和嵌入；

（2）对于不同工艺、不同功能的芯片，可以实现完美的兼容，达成高效可靠的单芯片级进入系统级异质集成

（3）它有效地解决了SOC不能集成模拟、射频和数字功能的问题；

（4）在一个封装体内组装了各种IC芯片、无源元件，能够实现系统的功能。这是是缩小尺寸、提高集成度的有效途径。使得成本大幅度降低，并节省时间成本。

基于系统级设计思想的SIP方法内涵丰富，涉及集成芯片、系统、封装结构、材料、组件等诸多问题。这是一个非常宽泛的概念。随着技术的发展，其内涵和概念将不断扩展和完善。

2 SiP关键技术

SiP的互连可以是单纯的引线键合、倒装焊以及二者的结合，还有硅通孔等技术。以下介绍目前SiP的关键技术。

2.1 高密度互连基板材料

组成SiP系统最重要的基础部件就是基板。它不仅提供机械支持和电气互连，而且还可以将无源组件埋置起来，大大提高系统的封装效率。目前基板的材料主要是两类：有机高分子材料和低温共烧陶瓷（LTCC）。它们的特点是层数多、密度高，能够最大限度的集成各种元器件。但是，这两种材料也是各有优缺点。

有机高分子材料是一种200-300摄氏度的低温工艺，生产成本低、稳定性强、瑕疵率很低，适合大规模生产。它的适用面非常广泛，几乎可以完美兼容集成所有材料。但是缺点也很明显，它的精度方面还是存在一些问题，导致其在无源器件集成方面无法有效的达成。

LTCC的玻璃含量较高，可高达50%，并且非常容易集成无源元件。具有非常优良的高频特点，功率损耗也非常小，是目前性能最好的材料，已经成为众多厂家的首选，比如航天科技、电子通讯等等领域。但是其制作成本很高，并且瑕疵率也很高。在应用方面与有机高分子材料相比，不够广泛。

因此，两种材料各有各的特点，在选取的时候应该根据实际情况择取。

2.2 芯片的互连方式

连接芯片有很多种方法，如引线键合、磁带自动焊接、倒装焊（FC）、硅通孔（TSV）等，FC和TSV是一种新的互连方式。传统的封装互连主要是通过引线键合和载带自动焊实现的，其中引线键合仍是互连的一种重要方式。

随着SiP的发展，现在采取FC技术，它比传统引线键合更有优势，体现在信号传输路线更短，容易实现微小化封装，系统更加稳定。

另外一种新互连方式是TSV，它主要是实现芯片两面的电连接。最终满足器件的高频特点。

2.3 无源组件集成技术

无源组件是系统内重要的组成部分。将无源组件集成之后，能够显著提高整个系统的稳定可靠性；同时将体积缩小，能够大大降低成本。主要有三种方式：分立式就是直接将封装好的组件组装到系统中，其优点是制作工艺很成熟，劣势也十分明显，那就是整体的集成度偏低；集成式就是可以在系统中直接将无源组件整合组装進来；埋置式是在基板内部直接进行无源组件的制作，使得互连和效率达到最大化。

内埋置无源组件技术已经成为目前众多相关厂家的研究重难点。它在无源器件上已经相对成熟。在未来最大的挑战是有源芯片的埋置结构。

2.4 三维封装与组装技术

SiP没有固定的结构形态，在芯片排列方式上可以是平面的封装，也可以是三维立体的封装。就目前而言，平面封装已经很难满足SiP日渐复杂的系统，因此必须加入垂直维度，使用三维立体方式来进行封装。目前三维立体封装已经逐渐成为主流技术。三维立体封装类型一共有三种：埋置型、有源基板型、叠层型。其中最常用的方法是叠层型，它是在平面封装的基础上，将多个组件进行垂直连接，组成三维立体的封装。

2.5 SiP可靠性技术

SiP技术不仅需要考虑到制作成本、制作工艺，最重要要考虑到产品的质量与可靠性。目前在可靠性方面也面临一些严峻的挑战，比如焊点可靠性、薄芯片的机械特点等等。关于

可靠性研究主要包括失效分析、可靠性试验与评估、过程控制和可靠性设计。

3 国内外SiP技术发展及应用

3.1 在国外的发展及应用

SiP技术最先开始研究的国家是美国，美国在半导体产业中拥有非常完成的体系，在对SiP扩展市场方面有很大的优势。此后，欧盟、韩国等拥有半导体产业的国家纷纷加大对SiP的投入。目前，公认的处于技术顶尖地位的机构是美国的乔冶亚理工学院封装研究中心。

国外许多机构已经开始关注缺陷诊断和故障分析技术。例如，Infineon公司通过采用大电流FIB对SiP进行缺陷分析，飞利浦利用半导体激光刻蚀技术制作SiP得到暴露的缺陷。过激光刻蚀技术和FIB技术的结合，最后制作完成SiP样品，这已经在国内外得到了广泛的推广和应用。endprint

3.2 在国内的发展及应用

近年来，我国对SiP的研究进展缓慢。对其可靠性的研究仅处于模拟阶段，相关缺陷诊断和故障分析技术的研究还很少。许多研究机构正密切关注世界的新趋势和新建议。同时，结合国内产业现状，提出了适合自身发展的SiP技术的研究方向。

不少企业在系统级封装及测试领域进行了研发，长电科技、南通富士通、天水华天等在SiP的封装设计上，包括电、热、可靠性各方面，并且在TSV技术上的研究都有了显著成果。目前国内对SiP技术作重点研究和开发的机构有中科院微电子所、清华大学、北京大学、工业和信息化部电子第五研究所等。在国家02专项的支持下，中科院微电子所联合多家研究机构，对SiP开展了各项研究工作，成为国内研究SiP技术的主力军，已经在3DSiP封装设计、TSV工艺等研究上取得了进展。

许多企业已经在系统级封装和测试领域做了研究，长电科技、南通富士通、天水市华天在SiP的包装设计，包括电力、热、可靠性，和TSV技术的研究取得了显著成果。目前，在中国的SiP技术的研究和开发的重点是微电子研究所、中国科学院、清华大学、北京大学、工业和信息化部电子第五研究所等。在国家02专项支持中，微电子联合多家科研机构所开展的研究工作基于SiP开展深入研究，SiP技术成为国内研究的主要力量，已经取得一些成果和认识，比如在3DSiP包装设计等等等。

4 结论

随着人们对便携式产品需求的不断增加，SiP技术在各个领域得到了广泛的应用。特别是在无线通信领域，如WiFi、蓝牙；医疗设备，如胶囊内镜；和CMOS图像传感器，数码相机和军事设备（如雷达系统）。SiP越来越成为半导体行业的扩张的重要支持技术，其发展将对整个电子产品市场产生巨大的推动作用。然而，介于其复杂性，在设计和加工技术上提出了更高的要求，其可靠性是业界关注的焦点。SiP需要故障分析来解决设计和处理问题。但无论如何，SiP都是拥有广阔的前景，为我国的半导体事业做出卓越贡献。

参考文献

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