微系統(tǒng)與SiP、SoP集成技術(shù)

微系統(tǒng)技術(shù)是突破摩爾定律極限的重要解決途徑之一，受到廣泛關(guān)注。微系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)途徑有SoC、SiP和SoP三個(gè)層級，其中SiP和SoP以其靈活性和成本優(yōu)勢成為近期最具應(yīng)用前景的微系統(tǒng)集成技術(shù)。綜述了SiP和SoP的技術(shù)內(nèi)涵、集成形態(tài)以及關(guān)鍵技術(shù)，為微系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)提供參考。

關(guān)鍵詞：微系統(tǒng)；系統(tǒng)級封裝（SiP）；基于封裝的系統(tǒng)（SoP）

0 引言

微系統(tǒng)是融合體系架構(gòu)、算法、微電子、微光子、微機(jī)電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）五大要素，采用新的設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法、制造方法，將傳感、處理、執(zhí)行、通信、能源等五大功能集成在一起，具有多種功能的微裝置[1]。其中，體系架構(gòu)是構(gòu)建微系統(tǒng)的骨架，功能算法是微系統(tǒng)的靈魂，微電子、光電子、MEMS等是微系統(tǒng)的基本元素，學(xué)科交叉融合是微系統(tǒng)創(chuàng)新的源泉（如圖1所示）。

近年來，微電子技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)從單一的摩爾定律向超越摩爾定律發(fā)展，即在尺度縮小的基礎(chǔ)上更加突出功能的融合。微系統(tǒng)的發(fā)展與微電子和集成技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，微電子沿著摩爾定律繼續(xù)發(fā)展，它追求的是更小的納米尺度工藝，以此推動(dòng)集成電路向更高的集成度方向發(fā)展。

集成技術(shù)沿著超越摩爾定律的方向發(fā)展，它面向應(yīng)用，通過射頻、模擬、光電等多種功能的融合集成提升集成密度[2]。微系統(tǒng)集成則是綜合了延續(xù)摩爾和超越摩爾兩條路徑的最新成果，通過三維異質(zhì)異構(gòu)集成實(shí)現(xiàn)更高的價(jià)值（如圖2所示）。系統(tǒng)的多功能融合和多專業(yè)多學(xué)科高度交叉給集成制造能力和工藝技術(shù)帶來了前所未有的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

微系統(tǒng)有三種典型的實(shí)現(xiàn)路徑，分別是SoC（Systemon Chip，片上系統(tǒng)）、SiP（System inPackage，系統(tǒng)級封裝）和SoP（System on Package，基于封裝的系統(tǒng)），其中SoC是芯片級的集成，SiP是封裝級的集成，而SoP是系統(tǒng)級的集成。多功能芯片是SoC，基于封裝基板和多功能芯片的高密度集成構(gòu)成SiP，若干個(gè)具有特定功能的SiP及其他輔助元器件與系統(tǒng)母板集成構(gòu)成SoP，而SoP再與系統(tǒng)軟件結(jié)合最終構(gòu)成了面向用戶的微系統(tǒng)產(chǎn)品。系統(tǒng)軟件與功能算法是微系統(tǒng)的“靈魂”，而SoC、SiP和SoP構(gòu)成了微系統(tǒng)的“肉身”，成為微系統(tǒng)的物理實(shí)現(xiàn)途徑（如圖3所示）。

在三層架構(gòu)的微系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)途徑中，SoC期望在單芯片上通過異構(gòu)甚至異質(zhì)的方式集成多個(gè)系統(tǒng)功能，是微系統(tǒng)的終極目標(biāo)，但其受限于材料和工藝兼容性等問題，技術(shù)難度大，研發(fā)周期長，成本高昂，還無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的集成。

因此，目前更多是以多功能芯片的形態(tài)存在，必須與其他技術(shù)手段相結(jié)合才能實(shí)際應(yīng)用于電子裝備和系統(tǒng)。SiP是將多種異構(gòu)芯片、無源元件等采用二維或三維形式集成在一個(gè)封裝體內(nèi)。其具有更高的靈活性，更高的綜合集成密度，更高的效費(fèi)比，是目前微系統(tǒng)集成的熱門研究領(lǐng)域。

然而，SiP由于其本身集成規(guī)模的限制，以及部分功能集成手段的制約，仍很難綜合解決散熱、電源、外部互連和平臺集成等系統(tǒng)必備需求，也仍無法構(gòu)成獨(dú)立的系統(tǒng)。SoP則是面向系統(tǒng)應(yīng)用，基于系統(tǒng)主板，將SiP、元器件和連接器、散熱結(jié)構(gòu)等部件集成到一個(gè)具備系統(tǒng)功能的廣義封裝內(nèi)。SoP可以加載系統(tǒng)軟件，可以具有完整的系統(tǒng)功能，是功能集成微系統(tǒng)最合理、最直觀的集成形勢，也是整機(jī)和系統(tǒng)的核心集成能力[3]。

如圖4所示，在DARPA提出的理想陣列中，也可以見到從SoC到SiP，再到SoP最終到系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程，其中需要從納米到微米，再到毫米的跨越多個(gè)尺度的集成制造手段。

本文將重點(diǎn)分析SiP和SoP的內(nèi)涵形態(tài)與關(guān)鍵技術(shù)。由于SoC的集成關(guān)鍵技術(shù)主要集中在微電子芯片工藝，在本文中不做重點(diǎn)論述。

1 SiP的內(nèi)涵形態(tài)與關(guān)鍵技術(shù)

如圖5所示，SiP在集成封裝行業(yè)中有兩種不同的表述，分別是堆疊芯片封裝（Stacked ICs andPackage）和系統(tǒng)級封裝（System in Package）。其中，后者的使用較為廣泛。然而，這兩種表述具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，其關(guān)鍵技術(shù)共同構(gòu)成了SiP的豐富內(nèi)涵。堆疊芯片封裝的關(guān)注焦點(diǎn)在芯片和芯片的堆疊形態(tài)，可以理解為芯片級/晶圓級的集成封裝。系統(tǒng)級封裝則更多的關(guān)注功能的融合，主要依托于多功能的封裝基板，可以理解為基板級的集成封裝。

1.1 堆疊芯片封裝

堆疊芯片封裝的集成形態(tài)是在硅、玻璃或其他材料的圓片或晶圓上通過微米級的工藝手段集成各類裸芯片與無源元件。該集成方式具有微米級的線寬和精度，具有高精度、高密度集成特點(diǎn)，是半導(dǎo)體工藝向上拓展后在異構(gòu)集成中的應(yīng)用。然而，與SoC類似，堆疊芯片封裝的集成規(guī)模、功能復(fù)雜度相對較低，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，環(huán)境適應(yīng)性較弱，當(dāng)前較難直接在系統(tǒng)中集成應(yīng)用，通常需要進(jìn)行二次封裝。如圖6所示，堆疊芯片封裝的集成形態(tài)既包括以轉(zhuǎn)接板為過渡的2.5D集成，也包括芯片/晶圓直接堆疊的3D集成[4]。

如圖7所示，在2.5D和3D集成的基礎(chǔ)上，堆疊芯片封裝有三種典型的集成形態(tài)：

1）D2I（Die toInterposer）：制作帶TSV（ThroughSi Vias，硅通孔）互連通孔、IPD（集成無源元件）和微通道散熱的硅基無源轉(zhuǎn)接板，表面集成有源器件后三維堆疊。

2）D2W（Die toWafer）：對已有CMOS（ComplementaryMetal-Oxide-SemiconductorTransistor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）晶圓做重布線和TSV互連通孔，表面集成其他非CMOS器件后三維堆疊。

3）W2W（Waferto Wafer）：各同類或異類晶圓直接三維堆疊鍵合集成。

其中D2I是典型的2.5D集成形態(tài)，D2W進(jìn)入到3D集成領(lǐng)域，而W2W是典型的3D集成形態(tài)。三種集成形態(tài)的兼容性、靈活性和技術(shù)成熟度可以簡單排序?yàn)镈2I>D2W>W2W[5-7]。

堆疊芯片封裝主要采用晶圓后道工藝，有三項(xiàng)主要關(guān)鍵技術(shù)：垂直通孔、重布線與IPD集成和互連與鍵合。

如圖8所示，垂直通孔是通過硅、玻璃等轉(zhuǎn)接板或晶圓內(nèi)的互連通孔，實(shí)現(xiàn)信號的高密度低損耗垂直互連。典型孔徑為550 μm，典型深徑比為5:110:1。

如圖9所示，重布線與IPD集成是通過轉(zhuǎn)接板/晶圓表面的多層重布線，實(shí)現(xiàn)裸芯片與晶圓間，晶圓與晶圓間的接口匹配，同時(shí)將占據(jù)表面的部分無源元件內(nèi)埋。典型線寬為2~10 μm。

如圖10所示，互連與鍵合是通過同質(zhì)/異質(zhì)材料的鍵合集成，實(shí)現(xiàn)裸芯片與晶圓間，晶圓與晶圓間的機(jī)械連接和電氣互連。鍵合方式包括金屬鍵合、高分子鍵合、硅-硅/氧化硅-氧化硅/硅-氧化硅鍵合等[8-10]。

1.2 系統(tǒng)級封裝

系統(tǒng)級封裝的集成形態(tài)是以高密度基板為核心，集成組裝射頻、模擬、數(shù)字、光電等各類元器件，構(gòu)建高性能核心功能單元，實(shí)現(xiàn)芯片的互連、散熱和環(huán)境適應(yīng)性防護(hù)[11]。該集成方式與晶圓級集成相比集成規(guī)模更大，功能更復(fù)雜，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更能適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境需求（如圖11所示）。相應(yīng)的，該集成方式的集成密度相對晶圓級集成較低。

系統(tǒng)級封裝主要采用封裝工藝，有三項(xiàng)主要關(guān)鍵技術(shù)：高密度基板、多功能異構(gòu)組裝、封裝與防護(hù)和封裝多層堆疊（Package on Package，PoP）。

高密度基板是SiP集成的物理載體，其功能包括元器件之間的電氣互連，傳輸射頻、模擬、數(shù)字等信號；內(nèi)埋集成部分無源元件，包括電容、電阻、電感，以及功分器、濾波器等；為元器件提供散熱通道。常用的SiP封裝高密度基板包括多層樹脂基板和多層陶瓷基板/管殼，其選擇的影響因素包括線條寬度、布線層數(shù)、后續(xù)封裝防護(hù)方式等（如圖12所示）。

如圖13所示，多功能異構(gòu)組裝是通過引線、倒裝等主要手段，將數(shù)字、模擬、射頻甚至光電器件通過鍵合集成組裝在高密度基板上，實(shí)現(xiàn)特定的部件功能。其還包括粘接、貼片、底部填充等集成關(guān)鍵技術(shù)。

封裝與防護(hù)是以一定的手段將較脆弱的芯片保護(hù)起來，以滿足特定應(yīng)用下的環(huán)境適應(yīng)性要求和可靠性要求。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同和對環(huán)境適應(yīng)性可靠性的要求不同，可以采用非氣密性封裝和氣密性封裝（如圖14和圖15所示）。其中，非氣密性封裝用于對可靠性要求較低的場合，包括塑封、包封、粘接金屬蓋等手段實(shí)現(xiàn)保護(hù)與電磁屏蔽。氣密性封裝主要用于高可靠場合，包括陶瓷/玻璃封裝、金屬封裝等手段。

多層堆疊：與芯片和晶圓級的三維堆疊類似，SiP封裝在平面上的集成空間已經(jīng)不足，可通過三維堆疊集成，在提升集成密度的同時(shí)，降低互連長度，提升性能（如圖16和圖17所示）。

2 SoP的內(nèi)涵形態(tài)與關(guān)鍵技術(shù)

在一個(gè)電子系統(tǒng)中，半導(dǎo)體IC芯片通常只占體積的10%，通過SoC和SiP技術(shù)可以解決系統(tǒng)體積10%~20%的縮減。其余空間則被大量的分立無源元件、電路板及其線纜連線占據(jù)。SoP提供了解決這80%~90%問題的系統(tǒng)集成路徑，通過“超越摩爾定律”的方式，從根本上大幅提升系統(tǒng)集成密度，成數(shù)量級降低系統(tǒng)整體的體積質(zhì)量（如圖18所示）。

如圖19所示，SoP是基于封裝的系統(tǒng)，是基于系統(tǒng)主板，將SiP、元器件和連接器、散熱結(jié)構(gòu)等部件集成到一個(gè)具備系統(tǒng)功能的封裝內(nèi)。它通過對數(shù)字、射頻、光學(xué)、微機(jī)電系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)和制造，提供幾乎所有的系統(tǒng)功能，是在SiP以上更高層次的集成，也屬于廣義的封裝集成領(lǐng)域。

如圖20所示，SoP的基本集成形態(tài)是2.5D的板級集成，是在2D的多功能高密度系統(tǒng)母板上集成3D的高密度封裝單元，最終形成一個(gè)具有系統(tǒng)功能的板級微系統(tǒng)。在消費(fèi)電子領(lǐng)域，智能手機(jī)的核心功能就是通過SoP的形式集成實(shí)現(xiàn)的（如圖21所示）。

SoP集成有四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，分別是系統(tǒng)母板、高密度混合信號多工藝跨尺度異構(gòu)集成與互連、集成可靠性與多層級熱管理。

如圖22所示，系統(tǒng)母板是整個(gè)SoP微系統(tǒng)提升集成密度的基礎(chǔ)和核心。在系統(tǒng)母板內(nèi)部嵌入射頻、數(shù)字、光等所需的高質(zhì)量信號傳輸，以替代大量線纜，大幅縮小體積重量；嵌入阻容、功分、濾波等無源元件，以替代大量分立無源元件，大幅節(jié)省平面面積，用于有源芯片的集成；嵌入散熱結(jié)構(gòu)，以替代部分分立散熱結(jié)構(gòu)，降低體積質(zhì)量。

如圖23所示，SoP微系統(tǒng)具有基本完整的系統(tǒng)功能，需將各類異構(gòu)SiP封裝或元器件在SoP主板上組裝集成并實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量信號互連。集成互連的信號包括數(shù)字、模擬、射頻、光等復(fù)雜信號；集成工藝包括正裝集成、引線鍵合、倒裝集成、SMT和光電集成等；集成尺度從10 μm到mm跨過至少兩個(gè)量級。因此，高密度混合信號多工藝、跨尺度異構(gòu)集成與互連工藝兼容性是核心問題。

如圖24所示，SoP主板與SiP封裝相比尺寸大、密度高、材料體系多樣、集成要素種類數(shù)量多、工藝過程復(fù)雜，系統(tǒng)可靠性保障難度明顯增加，需要更加詳細(xì)精確的可靠性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

SoP系統(tǒng)集成密度大幅提升，帶來熱耗的大幅增加，系統(tǒng)散熱壓力劇增，需建立芯片到SiP封裝到SoP微系統(tǒng)的全套多層級熱管理體系（如圖25所示）。傳統(tǒng)主要通過熱傳導(dǎo)的散熱方式將可能不再適用，需要引入微流道、微熱管、微噴流、相變散熱等新型散熱手段。

3 結(jié)論

微系統(tǒng)技術(shù)是突破摩爾定律極限的重要解決途徑之一，當(dāng)前已進(jìn)入“百花齊放、百家爭鳴”的高速發(fā)展階段。微系統(tǒng)的集成實(shí)現(xiàn)途徑有SoC、SiP、SoP三個(gè)層級，其中SiP和SoP以其靈活性和成本優(yōu)勢成為近期最具應(yīng)用前景的微系統(tǒng)集成技術(shù)，本文淺析了SiP和SoP的技術(shù)內(nèi)涵、集成形態(tài)以及關(guān)鍵技術(shù)，為微系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 湯曉英.微系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用[J].現(xiàn)代雷達(dá),2016,38(12):45-50.

[2] RADOJCICR. More-than-Moore 2.5D and 3D SiP integration[M].Berlin, GER: SpringerPublishing Company, 2017.

[3] TUMMALA RR, SWAMINATHAN M. Introduction to system-on package (SOP): Miniaturization ofthe entire system[M]. NYC, USA:Mc Graw-Hill Companies, Inc. 2008.