系统级封装(Sip)问题的研究

系统级封装（Sip）问题的研究

1优势

1.1较短的开发时间

系统级封装产品研制开发的周期比较短，市场响应时间比较快。

全新的SoC需要耗费大量的时间和金钱，许多产品(特别是消费类产品)不堪重负。例如，

某些SoC的上市时间长达18个月，而SiP可以将该时间削减50%或更短。

1.2满足小型化需求，缩短互联距离

将原本各自独立的封装元件改成以SiP技术整合，便能缩小封装体积以节省空间，并缩

短元件间的连接线路而使电阻降低，提升电性效果，最终呈现微小封装体取代大片电路载板

的优势，又仍可维持各别晶片原有功能。

系统级封装可以使多个封装合而为一， 从而显着减小封装体积、重量，减少I／O引脚

数，缩短元件之间的连线，有效传输信号。SiP可以将微处理器、存储器(如EPROM和DRAM)、

FPGA、电阻器、电容和电感器合并在一个容纳多达四或五个芯片的封装中。与传统的IC封装

相比，通常最多可节约80%的资源，并将重量降低90%。

通过垂直集成，SiP也可以缩短互连距离。这样可以缩短信号延迟时间、降低噪音并减

少电容效应，使信号速度更快。功率消耗也较低。

1.3节约成本

系统级封装减少了产品封装层次和工序，因此相应地降低了生产制造成本，提高了产品

可靠性。虽然就单一产品而言封装制造成本相对较高。但从产业链整合、运营及产品销售的

角度来看，SiP产品开发时间大幅缩短，而且通过封装产品的高度整合可减少印刷电路板尺

寸及层数，降低整体材料成本，有效减少终端产品的制造和运行成本，提高了生产效率

1.4能实现多功能集成

系统级封装可以集成不同工艺类型的芯片，如模拟、数字和RF等功能芯片，很容易地在单

一封装结构内实现混合信号的集成化。

1.5满足产品需求

第一，要求产品在精致的封装中具有更高的性能、更长的电池寿命和不断提高的存储器密度；

第二要求降低成本并简化产品

因SiP是将相关电路以封装体完整包覆，因此可增加电路载板的抗化学腐蚀与抗应力（Anti-

stress）能力，可提高产品整体可靠性，对产品寿命亦能提升。

SiP设计具有良好的电磁干扰抑制效果，对系统整合客户而言可减少抗电磁干扰方面的工作

2劣势

2.1晶片薄化

晶片薄化是SiP增长面对的重要技术挑战。现在用于生产200和300毫米晶片的焊线连接

设备可处理厚度为50微米的晶片，因此允许更密集地堆叠晶片。如果更薄，对于自动设备来

说将造成问题。晶片变得过于脆弱，因此更加易碎。此外，从晶片到晶片的电子“穿孔”效

果将损毁芯片的性能。IC的标准晶片薄化通常为175毫米。

2.2较成熟封装产业成本较高

就单一产品而言封装制造成本相对较高。SiP一般使用多层结构的BT材质基板作为封装

的载体，再加上各类元件组装、芯片封装及整个封装产品的测试费用，从封装制造的角度上

来说成本的确比封装单芯片的SoC产品高。

2.3

Tesra Inc.的资深副总裁和首席技术官David B. Tuckerman认为，另一项挑战是需要适当

的计算机辅助设计(CAD)工具，以便在多功能并行设计环境中充分进行电子、机械和热学设

计。

随着SiP封装越来越密，越来越小，必须更好地了解系统级的散热路径。“我们需要系

统级的热学CAD模块，”Tuckerman说。

3市场

3.1主要产品

蓝牙设备、手机、汽车电子、成像和显示产品、数码相机和电源；医疗电子装置和组件；

穿戴装置；物联网

3.2需求

行动装置产品对SiP的需求较为普遍 。就以智慧型手机来说，上网功能已是基本配备，

因此与无线网路相关的Wi-Fi模组便会使用到SiP技术进行整合。

基于安全性与保密性考量所发展出的指纹辨识功能，其相关晶片封装亦需要SiP协助整

合与缩小空间，使得指纹辨识模组开始成为SiP广泛应用的市场。

另外，压力触控也是智慧型手机新兴功能之一，内建的压力触控模组（Force Touch）

更是需要SiP技术的协助。

除此之外，将应用处理器（AP）与记忆体进行整合的处理器模组，以及与感测相关的

MEMS模组等，亦是SiP技术的应用范畴。

2015年Apple Watch等穿戴式产品问世后，SiP技术扩及应用到穿戴式产品。

3.3市场容量

电子产品市场的发展需求和新材料、新工艺的出现推动了系统级封装技术不断发展和进

步。目前，系统级封装已经被广泛应用于诸如手机、蓝牙、WLAN和包交换网络等无线通信、

汽车电子以及消费电子等领域，虽然其份额还不是很大，但已经成为一种发展速度最快的封

装技术。2004年，全球组装生产了18.9亿只系统级封装产品，2007年，预计将达到32.5亿只，

年平均增长率约为12％。2007年，全球系统级封装产品的产值预计为80亿美元，其中系统级

封装典型应用产品的市场份额分布如下：手机为35％，数字电子为14％，无线局域网（WLAN）

／蓝牙为12％，电源为12％，汽车电子为9％，图像／显示为6％，光电子为6％，其它为6％

4展望

SoC未必是封装的最终解决方法。我们也看到了通过光、RF和微波线互联的兴起，甚至

可能是碳管、自旋耦合和分子互联。在这些情况中，对封装的要求将大大降低。

此外， 在万物联网的趋势下，必然会串联组合各种行动装置、穿戴装置、智慧交通、

智慧医疗，以及智慧家庭等网路，多功能异质晶片整合预估将有庞大需求，低功耗也会是重

要趋势。

产品

SiP通过将存储器和逻辑芯片堆叠在一起满足众多消费应用的需求。事实上，Intel对逻

辑电路和存储器开发了折叠型堆叠芯片级封装(CSP)SiP。1998年，Sharp Corp.引入了第一

款由裸片闪存和SRAM组成的堆叠芯片级封装，应用于蜂窝式电话中。 Valtronic SA使用折

叠理念，将逻辑电路、存储器和无源组件结合到单独的SiP中，应用于助听器和心脏起博器。

现在，公司正在尝试添加微处理器、功率器件、无源组件和其他功能组件。

视频、音频和数据的集中是使用SiP理念的巨大推动力。“智能电话和PDA中的数据、语

音和视频集成，需要在精致的封装中具有更高的性能、更长的电池寿命和不断提高的存储器

密度，”Samsung研发中心的执行副总裁Hyung Lae Ruh说。“我们的SiP解决方案第一次将

应用处理器和NAND闪存结合在一起。”

另一个增长领域的医疗电子装置和组件，必须降低成本并简化产品。在尝试提高外科植

入手术如泵、助听器和电子神经刺激的效率时，这一点至关重要。

一种即将上市的产品是Valtronic的监控通报器(Watch Communicator)。患者可以使用

这种小巧、通用、电池操作的编程器，通过RF下行发送器和RF上行接收器控制和监控植入和

非植入医疗器件。

SiP切合这些应用的封装需要，与传统的IC封装相比，通常最多可节约80%的资产，并将

重量降低90%。这些数字背后的一个关键原因就是采用了表面贴装技术(SMT)。SiP技术将电

子制造服务(EMS)的SMT和半导体装配服务(SAS)融合为一体。

SMT技术

无需对印制板钻插装孔，直接将表面组装元器件贴、焊到印制板表面规定位置上的装联

技术

组装密度高、电子产品体积小、重量轻，贴片元件的体积和重量只有传统插装元件的1/

10左右，一般采用SMT之后，电子产品体积缩小40%~60%，重量减轻60%~80%。

可靠性高、抗振能力强。焊点缺陷率低。

高频特性好。减少了电磁和射频干扰。

易于实现自动化，提高生产效率。降低成本达30%~50%。 节省材料、能源、设备、人力、

时间等。

SiP解决方案的形式各不相同：面对小外形需求的堆叠芯片结构；针对I/O终端功能的并

行解决方案；用于高频率和低功耗操作的芯片堆叠(CoC)形式；用于更高封装密度的多芯片

模块(MCM)；以及针对大型存储设备的板上芯片(CoB)结构。在这些众多形式中，芯片和其他

元件垂直集成，因此所占空间很小。SiP通常称作3D封装。

事实上，IC芯片的三维(垂直或z轴)制造是其自身成功研发成果的延续。不应将其与3D

封装混淆，因为3D封装将不同的功能部件(存储器、逻辑电路、CPU)放在不同的芯片上，然

后将它们堆叠在一个封装中。

而SiP封装利用了更短的芯片互连导线长度的优势。这与3D硅IC的目标相同，因为日渐

复杂的IC彼此连接越来越困难。SiP技术的关键发展是采用SiliconPipe的离开顶部(OTT)技

术。该理念使高速(在3英寸的距离超过20 Gbits/s)信号从一个封装的顶部，在统一的阻抗

匹配的传输线上传送到另一个封装的顶部。这样的理念最终推动设计者以SiP方法取代SoC设

计(图3)。

Amkor将SiP理念应用于数码相机，它使用建立在矩阵带中的薄片基底。柔性电路包含元

件和连接器，以及一个安装在pc板上的图像传感器。所有这些元器件的上面是一个模块，其

中容纳相机的镜头筒、镜头、红外线玻璃、支架和粘合剂(图5)。Amkor的方法遵循标准处理

步骤，并允许使用标准设备，因此能够降低成本

功率和RF应用越来越广

SoC在将数字计算组件与功率和RF IC集成时，通常很难满足市场需求。设计者常常会为

器件做在不同的处理平台上而争论不休，例如双极、砷化镓(GaAs)和硅锗(SiGe)而不仅仅是

CMOS。

“很难将这些不同的工艺集成到一个硅片封装中，”Fairchild Semiconductor的技术执

行副总裁Don Desbians解释说。“我们深入参与了针对功率器件SiP技术的开发，这些器件

广泛应用于从几百瓦到1 kW的各种场合。我们的欧洲客户需要高功率的消费品，例如家庭供

暖，因此我们提供了智能功率模块。汽车部门提供额外的SiP功率应用，将多芯片四边无引

脚扁平(QFN)封装应用于高电感负载。”

熟练的RF设计者堪称无价之宝，特别是在RF产品封装领域。这里需要某种“法术”以获

得正确的设计。复杂RF电路的设计者转向SiP技术并不足奇，这业已证明该技术十分具有成

本效益，可将成品率问题分开考虑。这是因为RF电路可以做在一个基底上，而SiP中的其他

电子装置和组件可做在另一个基底上。

射频简称RF射频就是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称。每秒变化小于

1000次的交流电称为低频电流，大于1000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。

有线电视系统就是采用射频传输方式的

在电子学理论中，电流流过导体，导体周围会形成磁场；交变电流通过导体，导体周围

会形成交变的电磁场，称为电磁波。

在电磁波频率低于100khz时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输，但电磁波频

率高于100khz时，电磁波可以在空气中传播，并经大气层外缘的电离层反射，形成远距离传

输能力，我们把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频，英文缩写：RF

Skyworks Solutions作为提供RF SiP产品的最大、最成功的公司之一，为RF通讯应用提

供封装在SiP中的直接正交调制器。例如，其栅格阵列(LGA)完全将GSM/GPRS无线收发装置集

成在单个的封装中。它的大小和美国一角硬币相仿，为蜂窝应用将无线收发装置尺寸缩小了

三分之二以上。

Anadigics提供了一种全新的SiP情况，将RF IC、功率放大器、开关以及其他相关的电

子装置和组件与散热器、微处理器/控制器、电容器、电感器以及滤波器集成到一个单独的

模块中(图8)。该公司宣称其方法比SoC设计更具成本效益。

无论是裸片还是业已封装，所测试过的芯片的可用性和成本对于在SiP中堆叠混合类型器件

而言都是巨大的商业挑战。芯片供应的管理、测试和老化以及成品率，都是供应链中重要的

问题。Tuckerman指出，封装公司通常处于协调此供应链正常运转的最佳位置。

选择正确的组装设备踢开了SiP发展的另一个绊脚石。2004年美国国家电子制造促进会

(NEMI)SiP活动要求未来的贴装设备可处理晶片格式的芯片，精度为15微米，每个贴装成本

小于0.5美分。但是，行业中目前的组装设备无法满足这一目标。SiP封装行业正在解决此问

题。

另一项挑战是在考虑利润率的前提下，合并EMS和SAS部门的业务模式。SAS部门通常希

望比EMS部门获得更高利润率，因为它使用标准制造环境。因为需要洁净工作间和研发费用，

因此前一组必须考虑更高的日常管理费用。

STATSChipPac在合并ST Asmbly Services之后，相信自身定位可满足上述众多挑战。

该公司是一家重要的SiP制造商。