——市場驅動因素，要求達到的指標，需要克腰的困難

集成電路技術的進步、以及其它元件的微小型化的發(fā)展為電子產品性能的提高、功能的豐富與完善、成本的降低創(chuàng)造了條件?，F在不僅僅軍用產品，航天器材需要小型化，工業(yè)產品，甚至消費類產品，尤其是便攜式也同樣要求微小型化。這一趨勢反過來又進一步促進微電子技術的微小型化。這就是近年來系統(tǒng)級封裝(SiP,System in Package)之所以取得了迅速發(fā)展的背景。SiP已經不再是一種比較專門化的技術；它正在從應用范圍比較狹窄的市場，向更廣大的市場空間發(fā)展；它正在成長為生產規(guī)模巨大的重要支持技術。它的發(fā)展對整個電子產品市場產生了廣泛的影響。它已經成為電子制造產業(yè)鏈條中的一個重要環(huán)節(jié)。它已經成為影響，種類繁多的電子產品提高性能、增加功能、擴大生產規(guī)模、降低成本的重要制約因素之一。它已經不是到了產品上市前的最后階段才去考慮的問題，而是必須在產品開發(fā)的開始階段就加以重視，納入整體產品研究開發(fā)規(guī)劃；和產品的開發(fā)協(xié)同進行。再有，它的發(fā)展還牽涉到原材料，專用設備的發(fā)展。是一個涉及面相當廣泛的環(huán)節(jié)。因此整個電子產業(yè)界，不論是整機系統(tǒng)產業(yè)，還是零部件產業(yè)，甚至電子材料產業(yè)部門，專用設備產業(yè)部門，都很有必要更多地了解，并能夠更好地促進這一技術的發(fā)展。 經過這幾年的發(fā)展，國際有關部門比較傾向于將SiP定義為：一個或多個半導體器件(或無源元件)集成在一個工業(yè)界標準的半導體封裝內。按照這個涵義比較廣泛的定義，SiP又可以進一步按照技術類型劃分為四種工藝技術明顯不同的種類；芯片層宗司摘譯疊型；模組型；MCM型和三維(3D)封裝型?，F在，SiP應用最廣泛的領域是將存儲器和邏輯器件芯片堆疊在一個封裝內的芯片層疊封裝類型，和應用于移動電話方面的集成有混合信號器件以及無源元件的小型模組封裝類型。這兩種類型SiP的市場需求在過去4年里十分旺盛，在這種市場需求的推動下，建立了具有廣泛基礎的供應鏈；這兩個市場在成本方面的競爭也十分激烈。

而MCM(多芯片模組)類型的SiP則是一貫應用于大型計算機主機和軍用電子產品方面。MCM已經建立多年，是比較成熟的技術。在這個傳統(tǒng)領域MCM將繼續(xù)獲得廣泛應用，但是預計也不會顯著地向這個領域以外擴大其應用范圍。估計汽車電子產品將是其擴展的領地之一。

此外，現在出現了各種各樣的有關3D封裝的新穎構想。3D封裝近來越來越受到人們的關注，成為吸引研究人員注意的焦點，它的進展有助于推動未來系統(tǒng)性能的提高與功能集成的進步。 SiP和系統(tǒng)級芯片(SOC)一樣，也已經發(fā)展成為推動電子系統(tǒng)集成的重要因素。SiP與SOC相比在某些應用市場有著一定的優(yōu)勢，在這些市場范圍內它可以作為一種變通方案代替SOC。SiP的集成方式比較靈活多樣，進入市場的周期比較短，研究開發(fā)的費用也比較低，NRF費用也比較低，在一些應用領域生產成本也比較低。這是它的優(yōu)勢。但是，SiP這種技術并不能作為一種高級技術完全取代具有更高集成度水平的單芯片硅集成技術SOC，應該把SiP看作SOC技術的一種補充技術。尤其是對于許多產量規(guī)模十分巨大，又是以CMOS技術為基礎的應用，SOC將仍然是不可取代的優(yōu)先選擇。 和大多數新興的市場一樣，對于SiP的應用也仍然有一些關鍵的屬于基礎性的問題需要解決和改進，例如，如何在產業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)上降低成本，如何提高性能與可靠性，以推進市場的進一步口透與擴大。其中也應該包括如何降低高連接線密度基板材料的成本；開發(fā)EDA設計工具；開發(fā)SiP電特性與機械特性的高速計算機模擬工具并使之與IC設計工具相連接；研究開發(fā)晶圓級封裝技術；降低專用裝配設備的成本；改進包封用材料的性能等問題。

下面將分別介紹對系統(tǒng)級封裝(SiP)產品的市場驅動因素，各方面要求SiP達到的目標，以及在發(fā)展SiP產業(yè)的過程中需要克服的困難。

一．市場驅動因素

在過去的兩年里SiP市場規(guī)模的增長幅度比一般封裝市場的增幅大得多，預計其增長幅度在今后的三年內仍將超過一般封裝市場的平均增長幅度。為了抓住這個不斷擴大的市場機遇，IDM公司、半導體封裝廠商、測試分包廠商，以及EMS(電子產品制造服務)公司等都在向SiP的有關研究開發(fā)與擴大生產能力的項目增加投資。但是由于在2000-2002年間遭遇嚴重的半導體不景氣，這些投資還是偏于保守，以至于目前在某些需要大力加強生產能力方面的投資顯得不足。目前在生產能力方面呈現明顯不足的部分，集中在以下幾處：高密度互連線(HDI)多層線路板基板、0201無引出線零部件、高密度組裝，以及RF混合信號測試等方面。

從根本上說，推動SiP技術發(fā)展的主要動力，是對于電子產品小型化的強烈需求，希望產品體積更緊湊，集成度更高。如果有可能許多廠商還是希望采用能夠集成整個系統(tǒng)的硅單片SOC的解決方案。應用CMOS工藝技術實現的SOC，仍然是成本最低，集成度最高的首選。但是這些系統(tǒng)級芯片目前受技術限制，只能局限于數字式邏輯產品。然而，許多系統(tǒng)往往需要具有混合信號功能和模擬的功能，并且在電子產品中還需要應用許多特殊的器件，這些特殊器件往往是不能應用以CMOS工藝技術為基礎的制造方法實現的。在這些應用方面，采用SiP技術來制成集成化的子系統(tǒng)，甚至整個系統(tǒng)的模組，是很有競爭力的。在這些關鍵的應用市場中，SiP預計仍將繼續(xù)大幅度增長。

RF移動電話一直是SiP增長最快的市場之一。移動電話系統(tǒng)為了達到最高的性能水平，現在在一個簡單的無線電系統(tǒng)中，往往混合采用硅，硅鍺(SiGe)和砷化鎵(GaAs)以及其它無源元件。將這些不同工藝技術制造的零部件制作在一塊硅單晶芯片上，目前的技術還不太可能，或者可以說在經濟上還不劃算。但是采用SiP模組卻可以應用表面安裝技術(SMT，sllrface mount technology)術集成硅和砷化鎵裸芯片，還可以采用嵌入式無源元件，非常經濟有效地制成高性能RF系統(tǒng)。這樣的模組具有高度的靈活性，有利于系統(tǒng)的劃分，分別對其進行優(yōu)化。并且設計周期與樣品制作周期都比較短。對于模組的客戶亦即模組組裝廠商，采用SiP技術以后，還可以簡化裝配過程，降低測試的復雜性與難度，同時由于減少了零部件的數目還可以節(jié)省整個系統(tǒng)的成本。

對于單純的數字式電子產品市場，SiP的重要驅動力來自邏輯電路與存儲器相結合的產品；為了降低這類產品的成本，提高其集成度往往需要采用SiP。成本的降低是由于SiP可以將幾個芯片疊加起來封裝在一個封裝內，從而減少了零部件的數量；同時也由于采用成本比較低的引線鍵合或倒叩焊的工藝實現存儲器與邏輯電路的連接，從而降低了成本。特別是當系統(tǒng)內芯片之間存在大量的共同連接時，由于能夠共用封裝提供的I／O，這種方式的SiP是最經濟有效的解決方案。除了節(jié)省封裝的成本以外，這種芯片層疊式封裝還可以大量節(jié)約電路板面積，降低電路板上互連的復雜程度。

在目前的層疊芯片封裝中，有各種各樣的疊加芯片的方式。不論采用哪一種疊加方式，都是在對各個零部件進行過測試以后，再使用焊料或者其它連接方法將元件層疊起來再進行封裝的。它最大的優(yōu)勢是減少了電路板的面積，降低了電路板的復雜程度。但是，還可以在每個封裝內部安排布線，以便更精確地實現I／O的對準。而在線路板上安置裸芯片，一般不能達到很高的精度。

最復雜形式的SiP是MCM。MCM的出現主要是受到改進與提高性能，盡量縮小體積要求的推動。大多數這類應用都采用陶瓷基板，應用倒叩芯片互連技術，可以在比較高的環(huán)境溫度下運行，具有比較高的可靠性。MCM主要應用于汽車電子、軍用系統(tǒng)，以及航天器材。目前基板上的互連密度與半導體芯片上的互連密度間存在相當大的差距，采用MCM技術有助于縮短這個差距。估計在今后的10年以內MCM技術將發(fā)展成為真正意義上的3DSiP。這樣可以進一步改進系統(tǒng)的性能，提供最高的集成密度。

SiP技術的復雜多樣性(在某種程度上)是由于市場要求的多樣化所決定的。估計在相當長的時期內，這些紛繁的市場驅動仍然會要求SiP技術繼續(xù)保持其多種多樣性。促使SiP技術繼續(xù)向多種多樣性發(fā)展的，近來又新增加了另外一個原因，就是于系統(tǒng)的發(fā)展需要將許多新型器件集成到系統(tǒng)中去。例如當前就十分有興趣將光學器件與電子器件集成在一個SiP之中；也關心將傳感器為基礎的MEMS(微電子與機械系統(tǒng))與其它電子零部件一起集成在電子產品內。將來還必然會要求將生物結構、納米結構，以及化學器件(Chemical devices)集成進來。這些特殊類型的器件和目前的砷化鎵或者濾波器器件的情況十分類似。隨著12英口晶圓與深亞微米工藝技術的大量被采用，隨著其它技術門類的發(fā)展，在當前技術大融合的形勢下，電子產品將會更為復雜多樣。將這些不同類型的各種各樣的器件集成在SiP內，看來是最為經濟實效的方式。

二．要求達到的指標

根據上述各種不同類型的應用與要求，去年美國電子制造業(yè)促進會邀請了一些專家，經過討論，綜合了在設計、裝配過程、材料、零部件，以及可靠性等等方面對SiP的不同技術要求，并確定了一組數量不多的指標，并對上述要求加以量化，以便易于參考使用。這些專家分別來自IDM(垂直集成的半導體器件制造司)公司、EMS(電子制造服務)公司、半導體封裝/測試承包公司、有關的材料與設備供應公司，以及自各大學和研究機構。這些來自不同產業(yè)與機構的專家，帶來了有關SiP市場、技術的最新信息，以及圍繞了擴展這一新興技術產業(yè)所需要開展的研究工作的規(guī)劃等等方面的最新觀點?，F將這些指標列于表1中。由于應用范圍十分廣，各種應用要求自然有很大的差異；也由于SiP技術發(fā)展尚很不成熟，所選擇的指標主要考慮能否表明技術的發(fā)展趨勢，并盡可能和研究團體所追求目標相一致。鑒于SiP發(fā)展變化異常迅速，預計在今后兩三年內，這些要求很可能會隨著技術的發(fā)展成熟出現很大的變化。需要及時進行修正。 MCM的最大端口數量是受大型計算機系統(tǒng)與網絡市場的要求驅動的。這些復雜的應用系統(tǒng)采用了規(guī)模龐大的復雜MCM技術。對于這部分市場，系統(tǒng)的性能是最重要的驅動。I／O端口數量曾經受到大型主機應用的影響，被推進到PCB技術的極限；以后再沒有遇到過更高數量的要求，因此沒有必要再進一步增加。

RF模組的端口數量主要受RF系統(tǒng)的推動。一般RF系統(tǒng)沒有要求很大的I／O端口數量。預計隨著模組功能的增加，與預計向數字化接口的轉移，RP系統(tǒng)所需求的I／O數量估計將迅速增加，一直達到I／O密度的極限。現在大多數模組產品利用一個周邊安置I／O，節(jié)距現在為0．5mm。因此預計隨著I／O數量的增加，將會在2007年要求節(jié)距縮短到0．4mm，以增加I／O的數量。這一改進將影響測試插座、SMT工藝技術，以及電路板母板，要求它們也作相應的改進。

在對于體積縮小要求十分嚴格的應用領域，它們所使用的存儲器容量越來越大。這一要求將SiP內疊加的芯片數提高至極限。不斷增大的存儲器容量除了增加芯片層疊的數量以外，也在推動晶圓片的減薄，改進芯片焊接，以及改進引線鍵合工藝技術，以便改善芯片層疊封裝的裝配過程。

在模組SiP內安裝的芯片數量，由于預計到許多應用將逐步轉向采用集成水平更高的SOC芯片，因此模組內的總芯片數增加至一定數量以后將會逐步減少。這時出現的一個重要轉變是將在模組內引入傳感器之類的特殊器件，以改進系統(tǒng)的功能。這些特殊器件，估計將采用晶圓級封裝，并且是可以采用SMT技術進行裝配的。但是如果晶圓級封裝一時還不能被采用，則這時模組內所安置的總芯片數可能增加。

現在嵌入式無源元件正在日益廣泛地應用于SiP，它們可以被安置在陶瓷基板或有機多層板基板上，甚至也可以安置在引線框架上。但是在不同的基板上安置的無源元件的類型與復雜程度卻有著明顯的不同。在引線框上所形成的電感器，大都是簡單的螺旋形狀的導電體，電感的數值范圍很有限。對于有機材料的多層板基板，可以安置的電感器類型與電容器結構就比較寬，采用新的電介質材料的電容器結構也已開始出現。對于陶瓷基板的MCM，則可以安置的電阻器、電容器，和電感器類型就更為廣泛了；它還可以采用不同的特殊電介質，因此元件類型也更廣泛。對于嵌入式元件最為重要的共同要求，則是縮小參數公差和降低成本。此外，專家們還對今后10年左右時間內，SiP的主要性能特征進行了預測?，F將其預測的主要特性指標列于表2。

零部件是根據對系統(tǒng)的要求所明確地需要推進技術發(fā)展進步的一個領域?，F在有一些有關零部件的技術立足于采用新的材料，可以增加電容器的電容量以滿足系統(tǒng)的發(fā)展需要，但是不能達到降低成本的目標?，F在也有一些技術，確實可以改進插入損耗(例如RF應用方面基于MEMS技術的開關器)，提供比較高的Q因子；但是這些技術還需要進一步開發(fā)以便降低成本，提高性能，滿足所要求的指標。

三.需要解決的困難

設計工具

可以用于芯片與封裝協(xié)同設計的集成化設計工具目前還沒有，這是在采用SiP的早期就需要解決的問題之一，也是當前的一項重要的關鍵項目。有幾家EDA廠商現在已經有一些標準的工具，可以應用于SiP的設計。例如，版圖設計工具、DRC驗證工具、電性能分析工具，以及與機械特性分析工具的連接工具等，可以應用于現在正在進行的SiP設計。隨著SiP復雜性的增加與性能的提高，需要改進這些工具的性能，以便能夠更迅速地進行3D電性能與機械性能的仿真。為了能夠計算制造誤差對電性能的影響需要大幅度改進這些工具的仿真能力，例如，基
板尺寸的細微變化對于RF電路電性能的影響等。此外還需要開發(fā)一些新型的設計工具，以便能夠將不同種類的技術集成在一起。這些工具可以用來設計復雜的SiP，這些SiP可能包括有半導體器件、MEMS元件、光學元件，甚至還包括生物器件。這些工具還應該能夠用來進行產品概念構思階段的分析比較，以便設計人員能夠對不同的設計方案權衡利弊，分析得失，對各種不同類型方案的性能、成本、可靠性，以及風險程度進行計算。
（未完待續(xù)）