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SiP系统级封装及其应用

系统级封装(SiP)技术从20世纪90年代初提出到现在,经过十几年的发展,已经能被学术界和工业界广泛接受,成为电子技术研究新热点和技术应用的主要方向之一,并认为它代表了今后电子技术发展的方向,这些年来SiP封装技术在不断的创新中得到了长足发展,逐渐形成了自己的技术体系,值得从事相关技术行业的技术人员和学者进行研究和学习。

SiP定义

SiP(System in Package )系统级封装,通过使用3D-MCM立体组装技术,将多个芯片和可能的无源元件集成在同一封装内,形成具有一个电子系统的整体或主要部分功能的模块,具备较高的性能密度、更高的集成度、更小的成本和更大的灵活性,从而达到性能、体积和重量等指标的最佳组合,是一项综合性的微电子技术。

随着产品效能的提升,轻薄和低耗的需求带动下,迈向封装整合的新阶段。在此发展方向的引导下,形成了电子产业上相关的两大新主流:系统单芯片SoC(System on Chip)与系统化封装SiP。从封装发展的角度来看,SiP是SoC封装实现的基础。集成电路器件的封装,从单个组件(如IC)的开发,进入到多个组件的集结(如多个IC组合成系统)。

SoC与SiP是极为相似,两者均希望将一个包含逻辑组件、内存组件,甚至包含被动组件的系统,整合在一个单位中。然而就发展的方向来说,两者却是大大的不同:SoC是在设计的角度出发,目的在将一个系统所需的组件,整合于一芯片上;而SiP则是由封装的立场发展,将不同功能的芯片整合于一电子构装中。

在未来电子产品在体积、处理速度或电性特性各方面的需求考量下,SoC确为未来电子产品设计的关键与发展方向。但SoC发展至今,除了面临诸如技术瓶颈高、CMOS、DRAM、GaAs、SiGe等不同制程整合不易、生产良率低等技术挑战尚待克服外,现阶段SoC生产成本高,以及其所需研发时间过长等因素,都造成SoC的发展面临瓶颈,也造就SiP的发展方向再次受到广泛地讨论与看好。

SiP封装并无一定型态,就芯片的排列方式而言,SiP可为多芯片模块(Multi-chip Module;MCM)的平面式2D封装,也可再利用3D封装的结构,以有效缩减封装面积;而其内部接合技术可以是单纯的打线接合(Wire Bonding),亦可使用覆晶接合(FlipChip),但也可二者混用。

不同的芯片排列方式,与不同的内部接合技术搭配,使SiP的封装型态产生多样化的组合,并可依照客户或产品的需求加以客制化或弹性生产。

SiP封装可将其它如被动组件,以及天线等系统所需的组件整合于单一构装中,使其更具完整的系统功能。由应用产品的观点来看,SiP更适用于低成本、小面积、高频高速,以及生产周期短的电子产品上,尤其如功率放大器(PA)、全球定位系统、蓝芽模块(Bluetooth)、影像感测模块、记忆卡等可携式产品市场。以长远的发展规划而言,SoC的发展将能有效改善未来电子产品的效能要求,而其所适用之封装型态,也将以能提供更好效能之覆晶技术为发展主轴;相较于SoC的发展,SiP则将更适用于成本敏感性高的通讯用及消费性产品市场。

SiP立体封装技术满足我国航空

航天对高端器件的迫切需求

现代战争是以高科技武器装备为基础的信息化战争,军用电子信息处理系统是装备信息化、智能化、一体化发展的重要支撑,通过对型号电子系统的高度“优化、提炼和浓缩”,通过系统、芯片与工艺的协同设计使其在功能、性能密度、体积、重量和可靠性等方面得以大幅度提升,是电子系统升级换代、自主可控的“精髓”所在,对武器装备作战性能具有举足轻重的作用。

特别是在世界新军事变革深入发展,作战模式逐步转向以突防为主,对电子信息处理系统在高动态、高实时运行模式下,提出了超高的性能体积比等要求,进而对信息微系统设计与制造提出了更高要求。

(1)SiP产品对航天工程的重要意义

空间正在成为越来越重要的国家利益领域,是现代高技术战争的制高点,与此同时,非接触式战争或信息战也正在成为一种重要的战争模式。航天装备尤其是卫星装备则是信息战的主体组成部分,根据我国实际情况,微小卫星具有“快、好、省”的特点,在局部区域具有明显优势,是卫星领域具有明显战时应急优势的重要武器装备。

星载电子系统在微小卫星中具有举足轻重地位,微小卫星的编组飞行、导航控制、数据管理与测控通信,都必须要有星载电子系统做保障。而星载电子系统体积和重量直接关系到发射成本和卫星在轨工作寿命。

经测算,卫星在500km~700km高度的轨道上运行一年,每吨载荷重量需要燃料约80g;也就是说,电子系统每减少80g重量用以装载燃料,就会为卫星多提供一年的运行寿命保障。

对于运载火箭而言,入轨成本约为20万元/kg,采用SiP产品,可以有效减少运载火箭自身的重量,减低入轨成本;运载火箭单次发射成本约为2000万,通过SiP技术可以缩减卫星的重量,在同等运载能力下,实现一箭双星或一箭多星,从而大幅降低单颗卫星的入轨成本。

(2)SiP产品对武器装备的重要意义

现代战争中武器系统发展的目标是提高打击精度、提高毁伤效果和降低附带损害,同时降低己方人员、装备被敌方发现的几率,具有信息化争夺、网络化协同和智能化决策等特点,因此需要每个处于网络中的节点都需要具有探测感知、信息处理、数据传输和指令执行多种或全部能力。由于SiP产品集成了探测、通讯、处理、执行甚至能源等部分或全部功能,能极大的降低了武器装备体积和重量,在极其有限的空间内实现更快的运算速度,可以广泛应用于控制、导航、制导、计算组件、数据链、单兵装备和智能终端等多个领域,有效的满足未来作战新模式的需要,从而对武器装备的发展起到倍增器的作用。

SiP技术助力打造

生活化可穿戴设备

SiP封装技术并不是工业应用的专利,其实以手机为代表的小型消费类电子产品,都是SiP封装技术的广阔舞台。移动科技愈来愈多样化,手表、眼镜、手环、戒指、衣服等不同形态的贴身产品,除了是光鲜亮丽的配件外,在系统微型化技术的突破以及应用软体的整合下,能让更多的智能功能隐藏于物件的原尺寸空间中。

系统级封装(SiP)微型化技术能优化可穿戴设备小尺寸特性,让使用设备能更贴近日常生活使用情境。例如过去搭载微投影的可穿戴显示器概念在10几年前就有产品推出,不过设备体积过大,再加上网路尚未发达及没有适合的搭配平台,因此在当时未成为亮点产品。如今运用SiP系统微型化设计,能整合多样的功能在可穿戴设备上,在不改变外观条件下,又能增加产品的可携性、无线化及即时性的优势,以创造出具智能化的使用价值,而SiP也成为可穿戴设备进入生活化的核心技术。

目前系统厂在设计智能可穿戴设备时,主要面临的挑战是如何将众多的需求功能全部放入极小的空间内。以智能眼镜为例,在硬体设计部分就须要考量无线通讯、应用处理器(AP)、储存记忆体、摄影镜头、微投影显示器、感应器、麦克风等主要元件特性及整合方式,也须评估在元件整合于系统板后的相容性及整体的运作效能。而运用SiP微型化系统整合,能以多元件整合方式,简化系统设计并满足设备微型化特色,对于同时要求尺寸、重量及多功能的穿戴型设备而言,能发挥极大助益。

发展中国特色SoC或SiP产品

应将数字模拟混合电路(SoC或SiP)技术、新市场应用的完整解决方案平台工具技术及其产业化作为基本定位,以此作为产业跨越式发展的根本切入点。

迄今为止,我国集成电路产业定位没有摆脱粗放式的跟踪发展模式,从而造成技术创新、知识产权等整体布局不清晰。同时,IT和IC两大产业供需间关联度小,缺乏具有中国特色的IC和IT产品的创新开发价值链体系。

为使中国IT和IC两大产业不再成为全球新一代信息技术的追随者,在2020年前,我国集成电路产业应将数字模拟混合电路(SoC或SiP)技术、新市场应用的完整解决方案平台工具技术及其产业化作为基本定位,以此作为产业跨越式发展的根本切入点。

首先,基于目前我国集成电路产业基础,要想在2020年集成电路技术全面达到16nm~10nm工艺水平,甚至接近硅极限的7nm的世界顶级先进技术水平,以及达到英特尔、台积电、高通等的先进设计和半导体制程技术水平和经济规模,即使有强大的国家意志支持并提供良好的融资环境,也是不现实和难以实现的。

其次,数字模拟混合工艺需求仍强劲。我国虽在数字逻辑集成电路工艺技术方面落后于世界先进水平,但是在数字模拟混合工艺技术上已踏入了世界先进水平。今后7年,汽车电子和智能电网的高压CMOS技术、新型显示及半导体照明等控制驱动IC技术、医疗电子等的MEMS技术及其存储控制技术,以及多媒体等应用处理器技术,将会结合基于TSV的3D/2.5D半导体技术,继续采用180nm~55nm的、16位/32位CPU/MCU-IP等适用技术。

我国包括通信、多媒体、信息家电和新型显示在内的IT制造业,形成了覆盖芯片与终端、网络建设与运营等各个环节的完整产业链。以华为公司为代表的中国企业已成为引领全球通信业发展的一支重要力量,在国际通信市场正掌握越来越多的话语权。

在通信、多媒体、信息家电、新型显示和汽车电子乃至日益兴起的智慧家庭、移动医疗、智慧城市等领域,应更好地凭借国家的重大专项和各级政府设立的重点工程,集聚国内两大产业“产学研用”的专家智慧,共同规划、制定和部署具有中国特色、世界最先进的数字模拟混合工艺技术及其SoC或SiP产品开发路线图,创造出新的“杀手锏”的数字模拟混合电路,在世界集成电路产业占有一席之地。