SIP封裝工藝流程簡介1

系統(tǒng)級封裝（SIP）技術(shù)從20世紀90年代初提出到現(xiàn)在，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，已經(jīng)能被學術(shù)界和工業(yè)界廣泛接受，成為電子技術(shù)研究新熱點和技術(shù)應用的主要方向之一，并認為他代表了今后電子技術(shù)發(fā)展的方向，SIP封裝工藝作為SIP封裝技術(shù)的重要組成部分，這些年來在不斷的創(chuàng)新中得到了長足發(fā)展，逐漸形成了自己的技術(shù)體系，值得從事相關技術(shù)行業(yè)的技術(shù)人員和學者進行研究和學習，文章從封裝工藝角度出發(fā)，對SIP封裝制造進行了詳細的介紹，另外也對其工藝要點進行了詳細的探討。

一、前言：

系統(tǒng)級封裝（system in package，SIP）是指將不同種類的元件，通過不同種技術(shù)，混載于同一封裝體內(nèi)，由此構(gòu)成系統(tǒng)集成封裝形式。該定義是通過不斷演變、逐漸形成的。開始是單芯片封裝體中加入無源元件（此時封裝形式多為QFP、SOP等），再到單個封裝體中加入多個芯片。疊層芯片以及無源器件，最后發(fā)展到一個封裝構(gòu)成一個系統(tǒng)（此時的封裝形式多為BGA、CSP）。SIP是MCP進一步發(fā)展的產(chǎn)物，二者的區(qū)別在于：SIP中可搭載不同類型的芯片，芯片之間可以進行信號取放和交換，從而以一個系統(tǒng)的規(guī)模而具備某種功能；MCP中疊層的多個芯片一般為同一種類型，以芯片之間不能進行信號存取和交換的存儲器為主，從整體上來說為一多芯片存儲器。

二、SIP封裝綜述：

實現(xiàn)電子整機系統(tǒng)的功能通常有兩個途徑：一種是系統(tǒng)級芯片，減成SOC，即在單一的芯片上實現(xiàn)電子整機系統(tǒng)的功能；另一種是系統(tǒng)級封裝，減成SIP，即通過封裝來實現(xiàn)整機系統(tǒng)的功能。從學術(shù)上講，這是兩條技術(shù)路線，就像單片集成電路和混合集成電路一樣，各有各的優(yōu)勢，各有各的應用市場，在技術(shù)上和應用上都是香菇補充的關系。從產(chǎn)品上分，SOC應主要用于周期直角廠的高性能產(chǎn)品，而SIP主要應用于周期短的消費類產(chǎn)品。SIP是使用成熟的組裝和互連技術(shù)，把各種集成電路如CMOS電路、GaAs電路、SiGe電路或者光電子器件、MEMS器件以及各類無源器件元件如電容、電感等集成到一個封裝體內(nèi)，實現(xiàn)整機系統(tǒng)的功能。主要優(yōu)點包括：

-采用現(xiàn)有商用元器件，制造成本較低；

-產(chǎn)品進入市場的周期短；

-無論設計和工藝，有較大的靈活性；

-把不同類型的電路和元件集成在一起，相對容易實現(xiàn)。

系統(tǒng)級封裝（SIP）技術(shù)從20世紀90年代初提出到現(xiàn)在，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，已經(jīng)能被學術(shù)界和工業(yè)界廣泛接受，成為電子技術(shù)研究新熱點和技術(shù)應用的主要方向之一，并認為他代表了今后電子技術(shù)發(fā)展的方向之一。

三、SIP封裝類型：

從目前業(yè)界SIP的設計類型和結(jié)構(gòu)區(qū)分，SIP可分為三類。

3.1 2D SIP

此類封裝是在同一個封裝基板上將芯片一個挨一個的排列以二維的模式封裝在一個封裝體內(nèi)。

3.2 堆疊SIP

此類封裝是在一個封裝中采用物理的方法將兩個或多個芯片堆疊整合起來進行封裝。

3.3 3D SIP

此類封裝是在2D封裝的基礎上，把多個羅芯片、封裝芯片、多芯片甚至圓片進行疊層互聯(lián)，構(gòu)成立體封裝，這種結(jié)構(gòu)也稱作疊層型3D封裝。

四、SIP****封裝的制程工藝：

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。

4.1引線鍵合封裝工藝

圓片→圓片減薄→圓片切割→芯片粘結(jié)→引線鍵合→等離子清洗→液態(tài)密封劑灌封→裝配焊料球→回流焊→表面打標→分離→最終檢查→測試→包裝。

4.1.1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。

4.1.2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。

4.1.3芯片粘結(jié)

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(zhuǎn)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(jié)劑粘貼到金屬框架上。

4.1.4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0.025mm0.032mm。引線的長度常在1.5mm3mm之間，而弧圈的高度可比芯片所在平面高 0.75mm。

鍵合技術(shù)有熱壓焊、熱超聲焊等。這些技術(shù)優(yōu)點是容易形成球形（即焊球技術(shù)），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20kHz60kHz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 m300 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。

4.1.5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。

4.1.6液態(tài)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(zhuǎn)移成型機的轉(zhuǎn)移罐中。在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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℃，2h4h。

4.1.7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。

4.1.8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。

4.1.9分離工藝

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。

4.2倒裝焊

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(shù)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→裝配焊料球→回流焊→表面打標→分離→最終檢查→測試→包裝。

4.2.1焊盤再分布

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。

4.2.2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(shù)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。

4.2.3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WB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。

五、封裝的基板

封裝基板是封裝的重要組成部分，在封裝中實現(xiàn)搭載器件和電氣連同的作用，隨著封裝技術(shù)的發(fā)展，封裝基板的設計、制造技術(shù)有了長足的進步。2001年國際半導體技術(shù)發(fā)展預測機構(gòu)（ITRS）設定半導體芯片尺寸為310mm2，但隨著元件IO數(shù)目的不斷增加，就必須增加基板上的端子數(shù)量，對封裝基板有了更精細化的要求，從而對封裝基板的加工和設計有了更嚴格要求。

5.1封裝幾班的分類

封裝基板的分類有很多種，目前業(yè)界比較認可的是從增強材料和結(jié)構(gòu)兩方面進行分類。

從結(jié)構(gòu)方面來說，基板材料可分為兩大類：剛性基板材料和柔性基板材料。剛性基板材料使用較為廣泛，一般的剛性基板材料主要為覆銅板。它是用增強材料，浸以樹脂膠黏劑，通過烘干、裁剪、疊合成坯料，然后覆上一層導電率較高、焊接性良好的純銅箔，用鋼板作為模具，在熱壓機中經(jīng)高溫高壓成型加工而制成。

從增強材料方面分類，基板可以分為有有機系（樹脂系）、無機系（陶瓷系、金屬系）和復合系，前兩種材料在性能上各有優(yōu)缺點，而復合機系的出現(xiàn)綜合了兩者的優(yōu)點，很快成為基板的發(fā)展方向。目前基板多采用有機系材料，也就是統(tǒng)稱的BT樹脂，改材料可分為CCL-H810、CCl-H870、CCL-HL870、CCL-HL950，介電常數(shù)在3.5 4.5（1MHz）之間，介電損耗為0.0010.005（1MHz），玻璃轉(zhuǎn)化溫度為180~230℃。

5.2封裝基板的設計規(guī)則

從封裝基板常規(guī)制程來看，封裝基板的生產(chǎn)與常規(guī)的PCB加工很類似，只是在要求上更為嚴格，規(guī)則的要求更為具體，需要更薄的疊層，更細的線寬線距以及更小的孔，具體參數(shù)各個板廠略有差異。

5.3封裝基板的制程

常規(guī)的封裝基板的制程與普通PCB的加工方法大體一致，但是目前為了滿足封裝基板的精細化要求出現(xiàn)了減成法、辦減成法以及積層法等加工方法。

5.4基板的表面處理

在興城電氣圖形之后，需要在焊盤處進行表面處理，形成所需要的鍍層，表面處理的作用主要有兩方面，第一是提高焊盤處的抗氧化能力，第二是提高韓判處的焊接能力并改善焊盤的平整度，一般的PCB表面處理方式主要有：熱風整平；有機可焊性保護涂層；化學鎳金；電鍍金。

目前封裝基板表面處理主要使用化學鎳金和電鍍金，金作為一種貴金屬，具有良好的可焊性、耐氧化性、抗蝕性、接觸電阻小、合金耐磨性好等優(yōu)點

化學鎳金：

化學鎳金是采用金鹽及催化劑在80~100℃的溫度下通過化學反應析出金層的方法進行涂覆的，成本比電鍍低，但是難以控制沉淀的金屬厚度，表面硬并且平整度差，不適合作為采用引線鍵合工藝封裝基板的表面處理方式。

電鍍鎳金：

電鍍是指借助外界直流電的作用，在溶液中進行電解反應，是導電體（例如金屬）的表面趁機金屬或合金層。電鍍分為電鍍硬金和軟金工藝，鍍硬金與軟金的工藝基本相同，槽液組成也基本相同，區(qū)別是硬金槽內(nèi)添加了一些微量金屬鎳或鈷或鐵等元素，由于電鍍工藝中鍍層金屬的厚度和成分容易控制，并且平整度優(yōu)良，所以在采用鍵合工藝的封裝基板進行表面處理時，一般采用電鍍鎳金工藝，鋁線的鍵合一般采用硬金，金線的鍵合一般都用軟金。不管是化學鎳金還是電鍍鎳金，對于鍵合質(zhì)量影響的關鍵是鍍層的結(jié)晶和表面是否有污染，以及一定要求的鎳金厚度。

六、結(jié)束語

系統(tǒng)級封裝技術(shù)已經(jīng)成為電子技術(shù)研究新熱點和技術(shù)應用的主要方向之一，SIP封裝工藝作為SIP封裝技術(shù)的重要組成部分，值得從事相關技術(shù)行業(yè)的技術(shù)人員和學者進行研究和學習，引線鍵合和倒裝焊作為系統(tǒng)級封裝的兩種工藝，各有其特點和優(yōu)勢，需要根據(jù)具體生產(chǎn)要求進行選擇。

根據(jù)國際半導體路線組織（ITRS）的定義：SiP為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，形成一個系統(tǒng)或者子系統(tǒng)。

從架構(gòu)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)一個基本完整的功能。與SOC（片上系統(tǒng)）相對應。不同的是系統(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。

1.1. 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(zhuǎn)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。

SoC與SIP是極為相似，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，隨著將來集成度越來越高，emmc也很有可能會集成到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(shù)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。

1.2. SiP——超越摩爾定律的必然選擇路徑

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。

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穿孔的方式連接在一起，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。

我們認為，SiP不僅是簡單地將芯片集成在一起。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(jié)如下：