系統級封裝(Sip)問題的研究

系統級封裝（Sip）問題的研究

1優勢

1.1較短的開發時間

系統級封裝產品研制開發的周期比較短，市場響應時間比較快。

全新的SoC需要耗費大量的時間和金錢，許多產品(特別是消費類產品)不堪重負。例如，

某些SoC的上市時間長達18個月，而SiP可以將該時間削減50%或更短。

1.2滿足小型化需求，縮短互聯距離

將原本各自獨立的封裝元件改成以SiP技術整合，便能縮小封裝體積以節省空間，并縮

短元件間的連接線路而使電阻降低，提升電性效果，最終呈現微小封裝體取代大片電路載板

的優勢，又仍可維持各別晶片原有功能。

系統級封裝可以使多個封裝合而為一， 從而顯著減小封裝體積、重量，減少I／O引腳

數，縮短元件之間的連線，有效傳輸信號。SiP可以將微處理器、存儲器(如EPROM和DRAM)、

FPGA、電阻器、電容和電感器合并在一個容納多達四或五個芯片的封裝中。與傳統的IC封裝

相比，通常最多可節約80%的資源，并將重量降低90%。

通過垂直集成，SiP也可以縮短互連距離。這樣可以縮短信號延遲時間、降低噪音并減

少電容效應，使信號速度更快。功率消耗也較低。

1.3節約成本

系統級封裝減少了產品封裝層次和工序，因此相應地降低了生產制造成本，提高了產品

可靠性。雖然就單一產品而言封裝制造成本相對較高。但從產業鏈整合、運營及產品銷售的

角度來看，SiP產品開發時間大幅縮短，而且通過封裝產品的高度整合可減少印刷電路板尺

寸及層數，降低整體材料成本，有效減少終端產品的制造和運行成本，提高了生產效率

1.4能實現多功能集成

系統級封裝可以集成不同工藝類型的芯片，如模擬、數字和RF等功能芯片，很容易地在單

一封裝結構內實現混合信號的集成化。

1.5滿足產品需求

第一，要求產品在精致的封裝中具有更高的性能、更長的電池壽命和不斷提高的存儲器密度；

第二要求降低成本并簡化產品

因SiP是將相關電路以封裝體完整包覆，因此可增加電路載板的抗化學腐蝕與抗應力（Anti-

stress）能力，可提高產品整體可靠性，對產品壽命亦能提升。

SiP設計具有良好的電磁干擾抑制效果，對系統整合客戶而言可減少抗電磁干擾方面的工作

2劣勢

2.1晶片薄化

晶片薄化是SiP增長面對的重要技術挑戰。現在用于生產200和300毫米晶片的焊線連接

設備可處理厚度為50微米的晶片，因此允許更密集地堆疊晶片。如果更薄，對于自動設備來

說將造成問題。晶片變得過于脆弱，因此更加易碎。此外，從晶片到晶片的電子“穿孔”效

果將損毀芯片的性能。IC的標準晶片薄化通常為175毫米。

2.2較成熟封裝產業成本較高

就單一產品而言封裝制造成本相對較高。SiP一般使用多層結構的BT材質基板作為封裝

的載體，再加上各類元件組裝、芯片封裝及整個封裝產品的測試費用，從封裝制造的角度上

來說成本的確比封裝單芯片的SoC產品高。

2.3

Tesra Inc.的資深副總裁和首席技術官David B. Tuckerman認為，另一項挑戰是需要適當

的計算機輔助設計(CAD)工具，以便在多功能并行設計環境中充分進行電子、機械和熱學設

計。

隨著SiP封裝越來越密，越來越小，必須更好地了解系統級的散熱路徑。“我們需要系

統級的熱學CAD模塊，”Tuckerman說。

3市場

3.1主要產品

藍牙設備、手機、汽車電子、成像和顯示產品、數碼相機和電源；醫療電子裝置和組件；

穿戴裝置；物聯網

3.2需求

行動裝置產品對SiP的需求較為普遍 。就以智慧型手機來說，上網功能已是基本配備，

因此與無線網路相關的Wi-Fi模組便會使用到SiP技術進行整合。

基于安全性與保密性考量所發展出的指紋辨識功能，其相關晶片封裝亦需要SiP協助整

合與縮小空間，使得指紋辨識模組開始成為SiP廣泛應用的市場。

另外，壓力觸控也是智慧型手機新興功能之一，內建的壓力觸控模組（Force Touch）

更是需要SiP技術的協助。

除此之外，將應用處理器（AP）與記憶體進行整合的處理器模組，以及與感測相關的

MEMS模組等，亦是SiP技術的應用范疇。

2015年Apple Watch等穿戴式產品問世后，SiP技術擴及應用到穿戴式產品。

3.3市場容量

電子產品市場的發展需求和新材料、新工藝的出現推動了系統級封裝技術不斷發展和進

步。目前，系統級封裝已經被廣泛應用于諸如手機、藍牙、WLAN和包交換網絡等無線通信、

汽車電子以及消費電子等領域，雖然其份額還不是很大，但已經成為一種發展速度最快的封

裝技術。2004年，全球組裝生產了18.9億只系統級封裝產品，2007年，預計將達到32.5億只，

年平均增長率約為12％。2007年，全球系統級封裝產品的產值預計為80億美元，其中系統級

封裝典型應用產品的市場份額分布如下：手機為35％，數字電子為14％，無線局域網（WLAN）

／藍牙為12％，電源為12％，汽車電子為9％，圖像／顯示為6％，光電子為6％，其它為6％

4展望

SoC未必是封裝的最終解決方法。我們也看到了通過光、RF和微波線互聯的興起，甚至

可能是碳管、自旋耦合和分子互聯。在這些情況中，對封裝的要求將大大降低。

此外， 在萬物聯網的趨勢下，必然會串聯組合各種行動裝置、穿戴裝置、智慧交通、

智慧醫療，以及智慧家庭等網路，多功能異質晶片整合預估將有龐大需求，低功耗也會是重

要趨勢。

產品

SiP通過將存儲器和邏輯芯片堆疊在一起滿足眾多消費應用的需求。事實上，Intel對邏

輯電路和存儲器開發了折疊型堆疊芯片級封裝(CSP)SiP。1998年，Sharp Corp.引入了第一

款由裸片閃存和SRAM組成的堆疊芯片級封裝，應用于蜂窩式電話中。 Valtronic SA使用折

疊理念，將邏輯電路、存儲器和無源組件結合到單獨的SiP中，應用于助聽器和心臟起博器。

現在，公司正在嘗試添加微處理器、功率器件、無源組件和其他功能組件。

視頻、音頻和數據的集中是使用SiP理念的巨大推動力。“智能電話和PDA中的數據、語

音和視頻集成，需要在精致的封裝中具有更高的性能、更長的電池壽命和不斷提高的存儲器

密度，”Samsung研發中心的執行副總裁Hyung Lae Ruh說。“我們的SiP解決方案第一次將

應用處理器和NAND閃存結合在一起。”

另一個增長領域的醫療電子裝置和組件，必須降低成本并簡化產品。在嘗試提高外科植

入手術如泵、助聽器和電子神經刺激的效率時，這一點至關重要。

一種即將上市的產品是Valtronic的監控通報器(Watch Communicator)。患者可以使用

這種小巧、通用、電池操作的編程器，通過RF下行發送器和RF上行接收器控制和監控植入和

非植入醫療器件。

SiP切合這些應用的封裝需要，與傳統的IC封裝相比，通常最多可節約80%的資產，并將

重量降低90%。這些數字背后的一個關鍵原因就是采用了表面貼裝技術(SMT)。SiP技術將電

子制造服務(EMS)的SMT和半導體裝配服務(SAS)融合為一體。

SMT技術

無需對印制板鉆插裝孔，直接將表面組裝元器件貼、焊到印制板表面規定位置上的裝聯

技術

組裝密度高、電子產品體積小、重量輕，貼片元件的體積和重量只有傳統插裝元件的1/

10左右，一般采用SMT之后，電子產品體積縮小40%~60%，重量減輕60%~80%。

可靠性高、抗振能力強。焊點缺陷率低。

高頻特性好。減少了電磁和射頻干擾。

易于實現自動化，提高生產效率。降低成本達30%~50%。 節省材料、能源、設備、人力、

時間等。

SiP解決方案的形式各不相同：面對小外形需求的堆疊芯片結構；針對I/O終端功能的并

行解決方案；用于高頻率和低功耗操作的芯片堆疊(CoC)形式；用于更高封裝密度的多芯片

模塊(MCM)；以及針對大型存儲設備的板上芯片(CoB)結構。在這些眾多形式中，芯片和其他

元件垂直集成，因此所占空間很小。SiP通常稱作3D封裝。

事實上，IC芯片的三維(垂直或z軸)制造是其自身成功研發成果的延續。不應將其與3D

封裝混淆，因為3D封裝將不同的功能部件(存儲器、邏輯電路、CPU)放在不同的芯片上，然

后將它們堆疊在一個封裝中。

而SiP封裝利用了更短的芯片互連導線長度的優勢。這與3D硅IC的目標相同，因為日漸

復雜的IC彼此連接越來越困難。SiP技術的關鍵發展是采用SiliconPipe的離開頂部(OTT)技

術。該理念使高速(在3英寸的距離超過20 Gbits/s)信號從一個封裝的頂部，在統一的阻抗

匹配的傳輸線上傳送到另一個封裝的頂部。這樣的理念最終推動設計者以SiP方法取代SoC設

計(圖3)。

Amkor將SiP理念應用于數碼相機，它使用建立在矩陣帶中的薄片基底。柔性電路包含元

件和連接器，以及一個安裝在pc板上的圖像傳感器。所有這些元器件的上面是一個模塊，其

中容納相機的鏡頭筒、鏡頭、紅外線玻璃、支架和粘合劑(圖5)。Amkor的方法遵循標準處理

步驟，并允許使用標準設備，因此能夠降低成本

功率和RF應用越來越廣

SoC在將數字計算組件與功率和RF IC集成時，通常很難滿足市場需求。設計者常常會為

器件做在不同的處理平臺上而爭論不休，例如雙極、砷化鎵(GaAs)和硅鍺(SiGe)而不僅僅是

CMOS。

“很難將這些不同的工藝集成到一個硅片封裝中，”Fairchild Semiconductor的技術執

行副總裁Don Desbians解釋說。“我們深入參與了針對功率器件SiP技術的開發，這些器件

廣泛應用于從幾百瓦到1 kW的各種場合。我們的歐洲客戶需要高功率的消費品，例如家庭供

暖，因此我們提供了智能功率模塊。汽車部門提供額外的SiP功率應用，將多芯片四邊無引

腳扁平(QFN)封裝應用于高電感負載。”

熟練的RF設計者堪稱無價之寶，特別是在RF產品封裝領域。這里需要某種“法術”以獲

得正確的設計。復雜RF電路的設計者轉向SiP技術并不足奇，這業已證明該技術十分具有成

本效益，可將成品率問題分開考慮。這是因為RF電路可以做在一個基底上，而SiP中的其他

電子裝置和組件可做在另一個基底上。

射頻簡稱RF射頻就是射頻電流，它是一種高頻交流變化電磁波的簡稱。每秒變化小于

1000次的交流電稱為低頻電流，大于1000次的稱為高頻電流，而射頻就是這樣一種高頻電流。

有線電視系統就是采用射頻傳輸方式的

在電子學理論中，電流流過導體，導體周圍會形成磁場；交變電流通過導體，導體周圍

會形成交變的電磁場，稱為電磁波。

在電磁波頻率低于100khz時，電磁波會被地表吸收，不能形成有效的傳輸，但電磁波頻

率高于100khz時，電磁波可以在空氣中傳播，并經大氣層外緣的電離層反射，形成遠距離傳

輸能力，我們把具有遠距離傳輸能力的高頻電磁波稱為射頻，英文縮寫：RF

Skyworks Solutions作為提供RF SiP產品的最大、最成功的公司之一，為RF通訊應用提

供封裝在SiP中的直接正交調制器。例如，其柵格陣列(LGA)完全將GSM/GPRS無線收發裝置集

成在單個的封裝中。它的大小和美國一角硬幣相仿，為蜂窩應用將無線收發裝置尺寸縮小了

三分之二以上。

Anadigics提供了一種全新的SiP情況，將RF IC、功率放大器、開關以及其他相關的電

子裝置和組件與散熱器、微處理器/控制器、電容器、電感器以及濾波器集成到一個單獨的

模塊中(圖8)。該公司宣稱其方法比SoC設計更具成本效益。

無論是裸片還是業已封裝，所測試過的芯片的可用性和成本對于在SiP中堆疊混合類型器件

而言都是巨大的商業挑戰。芯片供應的管理、測試和老化以及成品率，都是供應鏈中重要的

問題。Tuckerman指出，封裝公司通常處于協調此供應鏈正常運轉的最佳位置。

選擇正確的組裝設備踢開了SiP發展的另一個絆腳石。2004年美國國家電子制造促進會

(NEMI)SiP活動要求未來的貼裝設備可處理晶片格式的芯片，精度為15微米，每個貼裝成本

小于0.5美分。但是，行業中目前的組裝設備無法滿足這一目標。SiP封裝行業正在解決此問

題。

另一項挑戰是在考慮利潤率的前提下，合并EMS和SAS部門的業務模式。SAS部門通常希

望比EMS部門獲得更高利潤率，因為它使用標準制造環境。因為需要潔凈工作間和研發費用，

因此前一組必須考慮更高的日常管理費用。

STATSChipPac在合并ST Asmbly Services之后，相信自身定位可滿足上述眾多挑戰。

該公司是一家重要的SiP制造商。