超越摩爾之路——SiP簡介
SiP（System-in-Package) 系統(tǒng)級封裝技術將多個具有不同功能的有源電子元件（通常是IC裸芯片）與可選無源器件，以及諸如MEMS或者光學器件等其它器件優(yōu)先組裝到一個封裝體內(nèi)部，實現(xiàn)一定功能的單個標準封裝器件，形成一個系統(tǒng)或者子系統(tǒng)，通?？煞Q之為微系統(tǒng)(Micro-System)。
從架構上來講，SiP是將多種功能芯片，包括處理器、存儲器等功能芯片集成在一個封裝內(nèi)，從而實現(xiàn)一個基本完整的系統(tǒng)功能。與SOC（片上系統(tǒng)）相對應，不同的是SiP系統(tǒng)級封裝是采用不同芯片進行并排或疊加的封裝方式，而SOC則是高度集成的芯片產(chǎn)品。
More Moore VS More than Moore——SoC與SiP之比較
SiP是超越摩爾定律下的重要實現(xiàn)路徑。
眾所周知的摩爾定律發(fā)展到現(xiàn)階段，何去何從？行業(yè)內(nèi)有兩條路徑：一是繼續(xù)按照摩爾定律往下發(fā)展，走這條路徑的產(chǎn)品有CPU、內(nèi)存、邏輯器件等，這些產(chǎn)品占整個市場的50%。另外就是超越摩爾定律的More than Moore路線，芯片發(fā)展從一味追求功耗下降及性能提升方面，轉向更加務實的滿足市場的需求。這方面的產(chǎn)品包括了模擬/RF器件，無源器件、電源管理器件等，大約占到了剩下的那50%市場。
針對這兩條路徑，分別誕生了兩種產(chǎn)品：SoC與SiP。SoC是摩爾定律繼續(xù)往下走下的產(chǎn)物，而SiP則是實現(xiàn)超越摩爾定律的重要路徑。兩者都是實現(xiàn)在芯片層面上實現(xiàn)小型化和微型化系統(tǒng)的產(chǎn)物。
SiP與SoC極為相似，兩者均將一個包含邏輯組件、內(nèi)存組件，甚至包含被動組件的系統(tǒng)，整合在一個單位中。SoC是從設計的角度出發(fā)，是將系統(tǒng)所需的組件高度集成到一塊芯片上。SiP是從封裝的立場出發(fā)，對不同芯片進行并排或疊加的封裝方式，將多個具有不同功能的有源電子元件與可選無源器件，以及諸如MEMS或者光學器件等其他器件優(yōu)先組裝到一起，實現(xiàn)一定功能的單個標準封裝件。
從集成度而言，一般情況下，SoC只集成AP之類的邏輯系統(tǒng)，而SiP集成了AP mobile DDR，某種程度上說SiP=SoC DDR，隨著集成度越來越高，emmc等也會集成到SiP中。
從封裝發(fā)展的角度來看，因電子產(chǎn)品在體積、處理速度或電性特性各方面的需求考量下，SoC曾經(jīng)被確立為未來電子產(chǎn)品設計的關鍵與發(fā)展方向。但隨著近年來SoC生產(chǎn)成本越來越高，頻頻遭遇技術障礙，造成SoC的發(fā)展面臨瓶頸，進而使SiP的發(fā)展越來越被業(yè)界重視。
SiP——超越摩爾定律的必然選擇
摩爾定律確保了芯片性能的不斷提升。眾所周知，摩爾定律是半導體行業(yè)發(fā)展的“圣經(jīng)”。在硅基半導體上，每18個月實現(xiàn)晶體管的特征尺寸縮小一半，性能提升一倍。在性能提升的同時，帶來成本的下降，這使得半導體廠商有足夠的動力去實現(xiàn)半導體特征尺寸的縮小。這其中，處理器芯片和存儲芯片是最遵從摩爾定律的兩類芯片。以Intel為例，每一代的產(chǎn)品完美地遵循摩爾定律。在芯片層面上，摩爾定律促進了性能的不斷往前推進。
相對于半導體器件，系統(tǒng)實現(xiàn)的重要載體PCB板并不遵從摩爾定律，是整個系統(tǒng)性能提升的瓶頸。與芯片規(guī)模不斷縮小相對應的是，PCB板這些年并沒有發(fā)生太大變化。舉例而言，PCB主板的標準最小線寬從十年前就是3 mil（大約75 um），到今天還是3 mil，幾乎沒有進步。畢竟，PCB并不遵從摩爾定律。因為PCB的限制，使得整個系統(tǒng)的性能提升遇到了瓶頸。比如，由于PCB線寬都沒變化，所以處理器和內(nèi)存之間的連線密度也保持不變。換句話說，在處理器和內(nèi)存封裝大小不大變的情況下，處理器和內(nèi)存之間的連線數(shù)量不會顯著變化。而內(nèi)存的帶寬等于內(nèi)存接口位寬乘以內(nèi)存接口操作頻率。內(nèi)存輸出位寬等于處理器和內(nèi)存之間的連線數(shù)量，在十年間受到PCB板工藝的限制一直是64bit沒有發(fā)生變化。所以想提升內(nèi)存帶寬只有提高內(nèi)存接口操作頻率。這就限制了整個系統(tǒng)的性能提升。
SiP是解決系統(tǒng)桎梏的勝負手。把多個半導體芯片和無源器件封裝在同一個芯片封裝內(nèi)，組成一個系統(tǒng)級的芯片，而不再用PCB板來作為承載芯片連接之間的載體，可以解決因為PCB自身的先天不足帶來系統(tǒng)性能遇到瓶頸的問題。以處理器和存儲芯片舉例，因為系統(tǒng)級封裝內(nèi)部走線的密度可以遠高于PCB走線密度，從而解決PCB線寬帶來的系統(tǒng)瓶頸。舉例而言，因為存儲器芯片和處理器芯片可以通過TSV等方式連接在一起，不再受PCB線寬的限制，從而可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)帶寬在接口帶寬上的提升。
需要注意的是，SiP不僅是簡單地將芯片集成在一起，需要根據(jù)系統(tǒng)的需要進行合理的裁剪和設計，采用不同的結構和工藝來實現(xiàn)。另外，SiP還具有開發(fā)周期短；功能更多；功耗更低，性能更優(yōu)良、成本價格更低，體積更小，質(zhì)量更輕等優(yōu)點，總結如下：
SiP工藝介紹
SIP 封裝制程按照芯片與基板的連接方式可分為引線鍵合封裝和倒裝焊兩種。
引線鍵合工藝
引線鍵合封裝工藝主要流程如下:
圓片——圓片減薄——圓片切割——芯片粘結——引線鍵合——等離子清洗——密封劑灌封——裝配焊料球——回流焊——表面打標——切割分離——最終檢查——測試包裝。
1.圓片減薄
圓片減薄是指從圓片背面采用機械或化學機械（CMP）方式進行研磨，將圓片減薄到適合封裝的程度。由于圓片的尺寸越來越大，為了增加圓片的機械強度，防止在加工過程中發(fā)生變形、開裂，其厚度也一直在增加。但是隨著系統(tǒng)朝輕薄短小的方向發(fā)展，芯片封裝后模塊的厚度變得越來越薄，因此在封裝之前一定要將圓片的厚度減薄到可以接受的程度，以滿足芯片裝配的要求。
2.圓片切割
圓片減薄后，可以進行劃片。較老式的劃片機是手動操作的，現(xiàn)在一般的劃片機都已實現(xiàn)全自動化。無論是部分劃線還是完全分割硅片，目前均采用鋸刀，因為它劃出的邊緣整齊，很少有碎屑和裂口產(chǎn)生。
3.芯片粘結
已切割下來的芯片要貼裝到框架的中間焊盤上。焊盤的尺寸要和芯片大小相匹配，若焊盤尺寸太大，則會導致引線跨度太大，在轉移成型過程中會由于流動產(chǎn)生的應力而造成引線彎曲及芯片位移現(xiàn)象。貼裝的方式可以是用軟焊料（指 Pb-Sn 合金，尤其是含 Sn 的合金）、Au-Si 低共熔合金等焊接到基板上，在塑料封裝中最常用的方法是使用聚合物粘結劑粘貼到金屬框架上。
4.引線鍵合
在塑料封裝中使用的引線主要是金線，其直徑一般為0.025mm~0.032mm。引線的長度常在1.5mm~3mm之間，而弧圈的高度可比芯片所在平面高 0.75mm。
鍵合技術有熱壓焊、熱超聲焊等。這些技術優(yōu)點是容易形成球形（即焊球技術），并防止金線氧化。為了降低成本，也在研究用其他金屬絲，如鋁、銅、銀、鈀等來替代金絲鍵合。熱壓焊的條件是兩種金屬表面緊緊接觸，控制時間、溫度、壓力，使得兩種金屬發(fā)生連接。表面粗糙（不平整）、有氧化層形成或是有化學沾污、吸潮等都會影響到鍵合效果，降低鍵合強度。熱壓焊的溫度在 300℃~400℃，時間一般為 40ms（通常,加上尋找鍵合位置等程序，鍵合速度是每秒二線）。超聲焊的優(yōu)點是可避免高溫，因為它用20kHz~60kHz的超聲振動提供焊接所需的能量，所以焊接溫度可以降低一些。將熱和超聲能量同時用于鍵合，就是所謂的熱超聲焊。與熱壓焊相比，熱超聲焊最大的優(yōu)點是將鍵合溫度從 350℃降到250℃左右（也有人認為可以用100℃~150℃的條件），這可以大大降低在鋁焊盤上形成 Au-Al 金屬間化合物的可能性，延長器件壽命，同時降低了電路參數(shù)的漂移。在引線鍵合方面的改進主要是因為需要越來越薄的封裝，有些超薄封裝的厚度僅有0.4mm 左右。所以引線環(huán)（loop）從一般的200 μ m~300 μ m減小到100μm~125μm，這樣引線張力就很大，繃得很緊。另外，在基片上的引線焊盤外圍通常有兩條環(huán)狀電源 / 地線，鍵合時要防止金線與其短路，其最小間隙必須>625 μ m，要求鍵合引線必須具有高的線性度和良好的弧形。
5.等離子清洗
清洗的重要作用之一是提高膜的附著力，如在Si 襯底上沉積 Au 膜，經(jīng) Ar 等離子體處理掉表面的碳氫化合物和其他污染物，明顯改善了 Au 的附著力。等離子體處理后的基體表面，會留下一層含氟化物的灰色物質(zhì)，可用溶液去掉。同時清洗也有利于改善表面黏著性和潤濕性。
6.密封劑灌封
將已貼裝好芯片并完成引線鍵合的框架帶置于模具中，將塑封料的預成型塊在預熱爐中加熱（預熱溫度在 90℃~95℃之間），然后放進轉移成型機的轉移罐中。在轉移成型活塞的壓力之下，塑封料被擠壓到澆道中，并經(jīng)過澆口注入模腔（在整個過程中，模具溫度保持在 170℃~175℃左右）。塑封料在模具中快速固化，經(jīng)過一段時間的保壓，使得模塊達到一定的硬度，然后用頂桿頂出模塊，成型過程就完成了。對于大多數(shù)塑封料來說，在模具中保壓幾分鐘后，模塊的硬度足可以達到允許頂出的程度，但是聚合物的固化（聚合）并未全部完成。由于材料的聚合度（固化程度）強烈影響材料的玻璃化轉變溫度及熱應力，所以促使材料全部固化以達到一個穩(wěn)定的狀態(tài)，對于提高器件可靠性是十分重要的，后固化就是為了提高塑封料的聚合度而必需的工藝步驟，一般后固化條件為 170℃~175℃，2h~4h。
7.裝配焊料球
目前業(yè)內(nèi)采用的植球方法有兩種：“錫膏” “錫球”和“助焊膏” “錫球”。“錫膏” “錫球”植球方法是業(yè)界公認的最好標準的植球法，用這種方法植出的球焊接性好、光澤好，熔錫過程不會出現(xiàn)焊球偏置現(xiàn)象，較易控制，具體做法就是先把錫膏印刷到 BGA 的焊盤上，再用植球機或絲網(wǎng)印刷在上面加上一定大小的錫球，這時錫膏起的作用就是粘住錫球，并在加溫的時候讓錫球的接觸面更大，使錫球的受熱更快更全面，使錫球熔錫后與焊盤焊接性更好并減少虛焊的可能。
8.表面打標
打標就是在封裝模塊的頂表面印上去不掉的、字跡清楚的字母和標識，包括制造商的信息、國家、器件代碼等，主要是為了識別并可跟蹤。打碼的方法有多種，其中最常用的是印碼方法，而它又包括油墨印碼和激光印碼二種。
9.切割分離
為了提高生產(chǎn)效率和節(jié)約材料，大多數(shù) SiP 的組裝工作都是以陣列組合的方式進行，在完成模塑與測試工序以后進行劃分，分割成為單個的器件。劃分分割可以采用鋸開或者沖壓工藝，鋸開工藝靈活性比較強，也不需要多少專用工具，沖壓工藝則生產(chǎn)效率比較高、成本較低，但是需要使用專門的工具。
倒裝焊工藝
和引線鍵合工藝相比較倒裝焊工藝具有以下幾個優(yōu)點：
（1）倒裝焊技術克服了引線鍵合焊盤中心距極限的問題；
（2）在芯片的電源 /地線分布設計上給電子設計師提供了更多的便利；
（3）通過縮短互聯(lián)長度，減小 RC 延遲，為高頻率、大功率器件提供更完善的信號；
（4）熱性能優(yōu)良，芯片背面可安裝散熱器；
（5）可靠性高，由于芯片下填料的作用，使封裝抗疲勞壽命增強；
（6）便于返修。
以下是倒裝焊的工藝流程（與引線鍵合相同的工序部分不再進行單獨說明）：圓片焊盤再分布——圓片減薄——制作凸點——圓片切割——倒裝鍵合——下填充——包封——配焊料球——回流焊——表面打標——分離——最終檢查——測試包裝。
1.焊盤再分布（RDL)
為了增加引線間距并滿足倒裝焊工藝的要求，需要對芯片的引線進行再分布。
2.制作凸點
焊盤再分布完成之后，需要在芯片上的焊盤添加凸點，焊料凸點制作技術可采用電鍍法、化學鍍法、蒸發(fā)法、置球法和焊膏印刷法。目前仍以電鍍法最為廣泛，其次是焊膏印刷法。
3.倒裝鍵合、下填充
在整個芯片鍵合表面按柵陣形狀布置好焊料凸點后，芯片以倒扣方式安裝在封裝基板上，通過凸點與基板上的焊盤實現(xiàn)電氣連接，取代了WireBond和TAB 在周邊布置端子的連接方式。倒裝鍵合完畢后，在芯片與基板間用環(huán)氧樹脂進行填充，可以減少施加在凸點上的熱應力和機械應力，比不進行填充的可靠性提高了1到2個數(shù)量級。
SiP為系統(tǒng)應用而生
SiP主要應用領域
SiP的應用非常廣泛，主要包括：無線通訊、汽車電子、醫(yī)療電子、計算機、軍用電子等。
SiP應用最為廣泛為無線通訊領域。SiP在無線通信領域的應用最早，也是應用最為廣泛的領域。在無線通訊領域，對于功能傳輸效率、噪聲、體積、重量以及成本等多方面要求越來越高，迫使無線通訊向低成本、便攜式、多功能和高性能等方向發(fā)展。SiP是理想的解決方案，綜合了現(xiàn)有的芯核資源和半導體生產(chǎn)工藝的優(yōu)勢，降低成本，縮短上市時間，同時克服了SOC中諸如工藝兼容、信號混合、噪聲干擾、電磁干擾等難度。手機中的射頻功放，集成了頻功放、功率控制及收發(fā)轉換開關等功能，完整的在SiP中得到了解決。
汽車車電子是SiP的重要應用場景。汽車電子里的SiP應用正在逐漸增加。以發(fā)動機控制單元（ECU）舉例，ECU由微處理器（CPU）、存儲器（ROM、RAM）、輸入/輸出接口（I/O）、模數(shù)轉換器（A/D）以及整形、驅動等大規(guī)模集成電路組成。各類型的芯片之間工藝不同，目前較多采用SiP的方式將芯片整合在一起成為完整的控制系統(tǒng)。另外，汽車防抱死系統(tǒng)(ABS)、燃油噴射控制系統(tǒng)、安全氣囊電子系統(tǒng)、方向盤控制系統(tǒng)、輪胎低氣壓報警系統(tǒng)等各個單元，采用SiP的形式也在不斷增多。此外，SiP技術在快速增長的車載辦公系統(tǒng)和娛樂系統(tǒng)中也獲得了成功的應用。
醫(yī)療電子需要可靠性和小尺寸相結合，同時兼具功能性和壽命。在該領域的典型應用為可植入式電子醫(yī)療器件，比如膠囊式內(nèi)窺鏡。內(nèi)窺鏡由光學鏡頭、圖像處理芯片、射頻信號發(fā)射器、天線、電池等組成。其中圖像處理芯片屬于數(shù)字芯片、射頻信號發(fā)射器則為模擬芯片、天線則為無源器件。將這些器件集中封裝在一個SiP之內(nèi)，可以完美地解決性能和小型化的要求。
SiP在計算機領域的應用主要來自于將處理器和存儲器集成在一起。以GPU舉例，通常包括圖形計算芯片和SDRAM。而兩者的封裝方式并不相同。圖形計算方面都采用標準的塑封焊球陣列多芯片組件方式封裝，而這種方式對于SDRAM并不適合。因此需要將兩種類型的芯片分別封裝之后，再以SiP的形式封裝在一起。
SiP在其他消費類電子中也有很多應用。這其中包括了ISP（圖像處理芯片）、藍牙芯片等。ISP是數(shù)碼相機、掃描儀、攝像頭、玩具等電子產(chǎn)品的核心器件，其通過光電轉換，將光學信號轉換成數(shù)字信號，然后實現(xiàn)圖像的處理、顯示和存儲。圖像傳感器包括一系列不同類型的元器件，如CCD、COMS圖像傳感器、接觸圖像傳感器、電荷載入器件、光學二極管陣列、非晶硅傳感器等，SiP技術無疑是一種理想的封裝技術解決方案。
航空航天、軍工等領域電子產(chǎn)品具有高性能、小型化、多品種和小批量等特點，SiP技術順應了軍事電子的應用需求，因此在這一技術領域具有廣泛的應用市場和發(fā)展前景。SiP產(chǎn)品涉及衛(wèi)星、運載火箭、飛機、導彈、雷達、巨型計算機等軍事裝備。
SiP——為智能手機量身定制
手機輕薄化帶來SiP需求增長。手機是SiP封裝最大的市場。隨著智能手機越做越輕薄，對于SiP的需求自然水漲船高。各個品牌的手機厚度都在不斷縮減。輕薄化對組裝部件的厚度自然有越來越高的要求。以iPhone 為例，已大幅縮減PCB的使用量，很多芯片元件都會做到SiP模塊里，而到了iPhone8，可能是蘋果第一款全機采用SiP的手機。這意味著，一方面手機可以做得更加輕薄，另一方面會有更多的空間容納其他功能模塊，比如說更強大的攝像頭、揚聲器，以及電池。
從蘋果產(chǎn)品看SiP應用。蘋果是堅定看好SiP應用的公司，蘋果在之前Apple Watch上就已經(jīng)使用了SiP封裝。
除了手表以外，蘋果手機中使用SiP的顆數(shù)也在逐漸增多。列舉有：觸控芯片，指紋識別芯片，RFPA等。
觸控芯片。3D Touch的出現(xiàn)，對觸控模組的處理能力和性能提出了更高的要求，其復雜結構要求觸控芯片采用SiP組裝，觸覺反饋功能加強其操作友好性。
指紋識別同樣采用了SiP封裝。將傳感器和控制芯片封裝在一起，從iPhone 5開始，就采取了相類似的技術。
RFPA模塊。手機中的RFPA是最常用SiP形式的。iPhone 6S也同樣不例外，在iPhone 6S中，有多顆RFPA芯片，都是采用了SiP。
按照蘋果的習慣，所有應用成熟的技術會傳給下一代，我們判斷，即將問世的蘋果手機會更全面，更多程度的利用SiP技術，來實現(xiàn)內(nèi)部空間的壓縮。
不止是蘋果，國內(nèi)智能手機廠商也會迅速跟進采用SiP技術。此外，滲透率提升不單是采用SiP的智能手機會增多，在智能手機中使用的SiP的顆數(shù)也會增加。兩個效應疊加驅使SiP的增量市場迅速擴大。
從制造到封測——逐漸融合的SiP產(chǎn)業(yè)鏈
從產(chǎn)業(yè)鏈的變革、產(chǎn)業(yè)格局的變化來看，今后電子產(chǎn)業(yè)鏈將不再只是傳統(tǒng)的垂直式鏈條：終端設備廠商——IC設計公司——封測廠商、Foundry廠、IP設計公司，產(chǎn)品的設計將同時調(diào)動封裝廠商、基板廠商、材料廠、IC設計公司、系統(tǒng)廠商、Foundry廠、器件廠商（如TDK、村田）、存儲大廠（如三星）等彼此交叉協(xié)作，共同實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級。
未來系統(tǒng)將帶動封裝業(yè)進一步發(fā)展，反之高端封裝也將推動系統(tǒng)終端繁榮。未來系統(tǒng)廠商與封裝廠的直接對接將會越來越多，而IC設計公司則將可能向IP設計或者直接出售晶圓兩個方向去發(fā)展。
近年來，部分晶圓代工廠也在客戶一次購足的服務需求下(Turnkey Service)，開始擴展業(yè)務至下游封測端，以發(fā)展SiP等先進封裝技術來打造一條龍服務模式，滿足上游IC設計廠或系統(tǒng)廠。
然而，晶圓代工廠發(fā)展SiP等先進封裝技術，與現(xiàn)有封測廠商間將形成微妙的競合關系。首先，晶圓代工廠基于晶圓制程優(yōu)勢，擁有發(fā)展晶圓級封裝技術的基本條件，跨入門檻并不甚高。因此，晶圓代工廠可依產(chǎn)品應用趨勢與上游客戶需求，在完成晶圓代工相關制程后，持續(xù)朝晶圓級封裝等后段領域邁進，以完成客戶整體需求目標。這對現(xiàn)有封測廠商來說，可能形成一定程度的競爭。
由于封測廠幾乎難以向上游跨足晶圓代工領域，而晶圓代工廠卻能基于制程技術優(yōu)勢跨足下游封測代工，尤其是在高階SiP領域方面；因此，晶圓代工廠跨入SiP封裝業(yè)務，將與封測廠從單純上下游合作關系，轉向微妙的競合關系。
封測廠一方面可朝差異化發(fā)展以區(qū)隔市場，另一方面也可選擇與晶圓代工廠進行技術合作，或是以技術授權等方式，搭配封測廠龐大的產(chǎn)能基礎進行接單量產(chǎn)，共同擴大市場。此外，晶圓代工廠所發(fā)展的高階異質(zhì)封裝，其部份制程步驟仍須專業(yè)封測廠以現(xiàn)有技術協(xié)助完成，因此雙方仍有合作立基點。
總結：
SiP代表了行業(yè)發(fā)展方向。芯片發(fā)展從一味追求功耗下降及性能提升（摩爾定律），轉向更加務實的滿足市場的需求（超越摩爾定律），SiP是實現(xiàn)的重要路徑。SiP從終端電子產(chǎn)品角度出發(fā)，不是一味關注芯片本身的性能/功耗，而是實現(xiàn)整個終端電子產(chǎn)品的輕薄短小、多功能、低功耗，在行動裝置與穿戴裝置等輕巧型產(chǎn)品興起后，SiP需求日益顯現(xiàn)。