SiP封裝技術(shù)的優(yōu)勢及應用解決方案介紹

半導體行業(yè)正在向持續(xù)小型化和日益增長的復雜度發(fā)展，也推動著系統(tǒng)級封裝（SiP）技術(shù)的更廣泛采用。

SiP 的一大優(yōu)勢是可以將越來越多的功能壓縮進越來越小的外形尺寸中，比如可穿戴設(shè)備或醫(yī)療植入設(shè)備。所以盡管這種封裝的單個芯片中的單個 die 上集成的功能更少了，但整體封裝通過更小的空間占用而包含了更多功能。在效果上，這就實現(xiàn)了在一個封裝中封裝一個完整的電子系統(tǒng)，其中 IC 是平坦排布或垂直堆疊的，也或者是兩者的結(jié)合。

此外，SiP 技術(shù)是在已經(jīng)存在了多年的技術(shù)上的擴展。它構(gòu)建于已有的封裝技術(shù)之上，比如倒裝芯片、wire bonding、fan-out 晶圓級封裝。

多芯片模塊（MCM）是系統(tǒng)級封裝的前身。MCM 最初是為數(shù)據(jù)存儲（比如 1960 和 1970 年代的 bubble memory）和特定的軍事/航空航天電子設(shè)備開發(fā)的?，F(xiàn)在仍然還有一些產(chǎn)品在使用它們，比如任天堂的 Wii U 游戲機。但由于摩爾定律的不斷發(fā)展，這種封裝方案被沒有得到大范圍的采用，因為摩爾定律能更便宜和更輕松地將所有東西放置到單一一塊芯片上。

圖 1：TI 的 bubble memory 模塊

在 16/14nm 節(jié)點時，情況發(fā)生了變化，這時候繼續(xù)減小器件尺寸已經(jīng)變得更加困難。而且隨著新節(jié)點的到來，難度還會繼續(xù)增大。比如在 5nm 節(jié)點時，預計會引入全新的晶體管結(jié)構(gòu)，并且人們還在考慮用鈷或釕等新材料來替代互連中的銅。此外，動態(tài)功率密度和自熱在 16/14nm 節(jié)點時就已經(jīng)成為問題了。而在 10nm 及以后，這些問題還需要更大的關(guān)注和高級電源管理電路。在設(shè)計方面，布線阻塞的問題也越來越大，并且 RC 延遲、電遷移以及熱、靜電放電和電磁干擾等物理效應還在加劇這個問題。

先進的封裝技術(shù)為解決這些問題提供了一些替代方法。首先，其通過物理的分離而提供了一種最小化物理效應的方法。比如說，一個對數(shù)字噪聲和熱效應敏感的模擬模塊可以通過使用分開的芯片而更輕松地緩沖。其次，因為所有芯片或 chiplet 都可以在一個封裝中復用，所以會使得 IP 復用更加簡單。第三，通過增加芯片之間的連接的直徑和縮短信號傳輸?shù)木嚯x，可以提升性能并降低功耗，這反過來又可以降低驅(qū)動這些信號所需的功率。

“SiP 在實現(xiàn)方面還處于起步階段，”ASE Group 銷售和業(yè)務開發(fā)副總裁 Yin Chang 說，“我們?nèi)匀辉趯W習 SiP 的所有可能性。這是 SiP 的真正開始?！?/p>

但高級封裝顯然已經(jīng)不再處于涉及多種封裝方法的可行性和可靠性的基礎(chǔ)研究階段了?，F(xiàn)在的挑戰(zhàn)是實現(xiàn)與摩爾定律通過將所有東西放置到單個 die 上所帶來的一樣的規(guī)模經(jīng)濟。半導體行業(yè)已經(jīng)拿出了穩(wěn)定的選項和技術(shù)發(fā)展趨勢以幫助轉(zhuǎn)型。

“技術(shù)進步是雙重的，”Chang 說，“一是 2.5D 方面，其中可以使用硅 interposer 連接各種類型的高密度硅。這允許實現(xiàn)最大化的集成，而且可以在小空間內(nèi)帶來性能提升。其次，將過去的各種功能放到一起可能會導致芯片的沖突或互相干擾。在這些沖突的硅性能之間放入動態(tài)屏蔽和將這些放入一個非常小的外形之中的能力使其可以被用于需要這類外形需求的應用——主要是在可穿戴和物聯(lián)網(wǎng)應用中?！?/p>

圖2：SiP 全景圖，來自 ASE

也有其它公司正在改進這項工藝。

“這種技術(shù)的進展主要是關(guān)于多個 die 的異構(gòu)集成以及（這也是一個關(guān)鍵組件）在最小尺寸上無源器件的有效混合和匹配?！?STATS ChipPAC 高級總監(jiān) Urmi Ray 說，“這就是過去幾年發(fā)生的事情，因為這些模式已經(jīng)出現(xiàn)在了非常小外形尺寸中無源器件和有源器件的優(yōu)化的關(guān)鍵領(lǐng)域。此外，我們在組裝方面已經(jīng)看到了非常有效的處理、貼裝、小、非常薄的 die 和兩種相對大的器件。很薄的 die 正在變得越來越明顯，很顯然，其外形正在變小?！?/p>

圖 3：一種現(xiàn)代 SiP，來自 STATS ChipPAC

Yole Développement 總裁兼 CEO Jean-Christophe Eloy 觀察得到了類似的結(jié)論。他指出蘋果由臺積電生產(chǎn)和組裝的 A10 處理器設(shè)計已經(jīng)允許無源器件回到芯片設(shè)計中了，而不再只是將其看作是 PCB 上的分立元件。他說：“多虧臺積電和蘋果的 A10，集成無源器件回歸到了移動應用中?！?/p>

SiP 是什么？

Amkor Technology SiP/系統(tǒng)集成部門副總裁 Nozad Karim 上個月在加州 Rohnert Park 通過這個問題啟動了最早的 System in Package （SiP） Technology 會議和展覽會（由國際微電子組裝與封裝協(xié)會（IMAPS）主辦）。

“它有很多很多定義，”他說，“它是系統(tǒng)，也是封裝?！?/p>

TechSearch International 總裁 Jan Vardaman 補充了更多背景信息：“這個行業(yè)需要清楚我們定義 SiP 的方式。”她解釋說，SiP 涉及到“兩個或多個不相似的 die”并且“構(gòu)成一個功能模塊”。

Vardaman 補充說：“SiP 并不是指單一一種封裝。fan-out 晶圓級封裝也可以成為 SiP?！钡仓赋雠_積電的 InFO 層疊封裝（package-on-package ）技術(shù)并不滿足 SiP 的定義。

Vardaman 估計 2016 年會出貨 149 億 SiP 封裝。移動設(shè)備、可穿戴和其他消費產(chǎn)品占到了 SiP 總量的 82%。Vardaman 預計從 2016 年到 2020 年 SiP 的年復合增長率為 13.7%。

Vardaman 說，iPhone 7 和 7 Plus 智能手機各自有大約 15 個 SiP，而 Apple Watch Series 2 包含 3 個 SiP，三星 Galaxy S8 有 13 個 SiP。

另外參考一點，Yole Développement 預測從 2022 年開始，將有 450 萬晶圓（以 12 英寸晶圓計算）將包含透硅通孔（through-silicon vias），這種通孔是 interposer 和其它高級封裝所需的。

圖 4：高級封裝增長預測，來自Yole Développement

市場

SiP 最早是用在高端的網(wǎng)絡(luò)應用市場，其中吞吐量很關(guān)鍵，而價格并不是一個重要因素；另一些則在消費電子和移動市場，其中早期開發(fā)的成本可以通過高銷量和系統(tǒng)的整體價格抵消。

今天主要的實現(xiàn)包括將處理器、內(nèi)存、邏輯和傳感器集成到一個模塊中，從而為一些客戶提供一站式解決方案。但隨著成本降低，這些產(chǎn)品預計將對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開發(fā)者尤其有用，它們往往需要快速推陳出新。

“模塊化這種解決方案能讓我們快速創(chuàng)建非?？焖俚纳鲜袝r間解決方案?！盇SE 的 Chang 說，“所以我們可以使用特定性能的 SiP，這讓公司可以非常快速地將它組裝到一起，并將產(chǎn)品推向市場。這些針對的是可穿戴和 IoT，其中市場變化得非?？?。這些是 SiP 可以一起滿足的兩個不同的要求?！?/p>

由于其能夠以更小的外形實現(xiàn)更長的電池壽命，SiP 也在滲透進汽車、工業(yè)和醫(yī)療電子領(lǐng)域。在人工智能和神經(jīng)引擎等有高性能需求的應用中，SiP 也很合適。Chang 說：“SiP 可以進入廣泛多樣的行業(yè)領(lǐng)域?！倍疫@項技術(shù)也適合自動汽車、增強現(xiàn)實、5G 無線通信等等。

“我們相信你可以將其放在自動汽車中用作它們的神經(jīng)引擎，因為在汽車中，你需要在非常小的外形中集成高速處理方案，所以你不能在車子里裝一臺大電腦?！盋hang 說，“你可能要很高的處理帶寬，所以會有一個 SiP 解決這些高帶寬需求，也許要與神經(jīng)引擎有 5G、6G 、7G 的連接速度。在這方面，2.5D 解決方案可以為這種類型的密集計算需求提供異構(gòu)硅方案。對于增強現(xiàn)實，因為你需要在你的眼鏡上放上屏幕，所以外形大小會變得至關(guān)重要——因為你肯定還想最大化電池壽命，這樣你就不需要不斷充電就能保持 AR 工作了。這種縮減電子產(chǎn)品尺寸、快速模塊化以便占領(lǐng)市場空間的能力對于消費者和公司而言也都至關(guān)重要。對我們來說，用 SiP 覆蓋這兩個市場范圍是很激動人心的。利用我們所有的封裝和 EMS 經(jīng)驗，我們能夠打造非常高密度的模塊，并為 AR 制造商提供解決方案。通過我們的 bumping、flip chip 和 RDL 解決方案，我們可以為未來的自動汽車創(chuàng)造 2.5D 的神經(jīng)引擎?！?/p>

STATS 的 Ray 說兩大優(yōu)勢是 RF 屏蔽和有源與無源器件的雙面集成。這可以為移動手機實現(xiàn)雙面印刷的電路板，從而縮小模塊尺寸。

Ray 說，在采用 SiP 時，“功能的模塊化是一個實際的市場趨勢?！彼赋隽宋锫?lián)網(wǎng)、可穿戴、傳感器和汽車電子領(lǐng)域的高級駕駛輔助系統(tǒng)等新興市場?！斑@些是非常不同的市場。對所有這些來說，關(guān)鍵是要實現(xiàn)不同的集成?！?/p>

可穿戴設(shè)備在消費電子產(chǎn)品中的尺寸最小，SiP 已經(jīng)在可穿戴設(shè)備的高帶寬內(nèi)存中得到了應用。Ray 說：“用 SiP 的主要原因是尺寸大小和異構(gòu)集成。”

經(jīng)驗教訓

然而，要將 SiP 看作是一種解決方案都還需要一些時間。實際上，OSAT、代工廠和 IDM 已經(jīng)認真對待這些封裝方法近十年的時間了。

“和其它所有 OSAT 一樣， STATS ChipPAC 一直以來都在關(guān)注（SiP）能力的開發(fā)?！盧ay 說，“在設(shè)計和組裝上，我們真的很努力。”該公司也已經(jīng)轉(zhuǎn)向了系統(tǒng)級測試，將 RF 測試和數(shù)字測試結(jié)合起來，確保 SiP 能有效。

其中很多工作都是合作完成的。

“我們得到的最大經(jīng)驗教訓是需要與我們合作的客戶緊密協(xié)作，”Chang 說，“只是能夠做出 SiP 并不意味著能夠做出 SiP 解決方案。與客戶緊密合作，讓他們告訴你他們的硬件和軟件方面的需求，這種合作才能成功實現(xiàn) SiP 。任何人都能拼好一個樂高。我們意識到我們需要與客戶一道，才能真正把樂高積木拼起來讓他們可以將自己的解決方案推向市場。”

大多數(shù)情況下，客戶都會提供必要的軟件，盡管封裝廠確實會提供固件。

但是很明顯，SiP 技術(shù)將會繼續(xù)發(fā)揚光大，并將在未來幾年在半導體制造領(lǐng)域得到更廣泛的應用。因為很少有公司能追隨摩爾定律進入單位數(shù)的納米范圍，SiP 就提供了另一條前進的道路。隨著這項技術(shù)更多地被證明可以用于現(xiàn)有的組件，那么預計其流行程度還將迎來大幅度的擴張。