【导读】集体电路(IC) 发明至今已有50多年，自1991年问世以来，国际半导体技术蓝图(International Technology Roadmap for Semiconductors，ITRS) 一直是半导产业往前迈进的指南，蓝图预测半导体技术会遵循摩尔定律(Moore's Law) 的缩放节奏迈进。不过，在2016年7月ITRS所释出的半导体产业「未来蓝图」报告显示，估计微处理器中的晶体管体积将在2021 年开始停止缩小，这意味着微处理器中的晶体管数量将不会再如摩尔定律所说的会逐步增加，也就是说摩尔定律已宣告死亡。随着摩尔定律的死亡，国际半导体技术蓝图ITRS也将步入历史。取而代之的，将是异构整合蓝图（Heterogeneous Integration Roadmap，HIR）。
SIP，系统级封装，是将多个具有不同功能的裸芯片、微型电子元件封装整合到一起的技术，在减小模块体积和重量的同时，提高了模块性能，是一种重要的先进封装工艺。随着电子产品小型化、轻薄化发展，为缩小体积并提高性能，芯片制程不断缩小，但在摩尔定律下，其性能提升已接近物理极限，系统整合成为另一重要发展趋势，因此SIP越来越受重视。
SoC，系统级芯片，是将微处理器等关键元件集成于一块芯片上的技术，是一种高度集成的芯片产品。SIP与SoC功能相似，但SIP是将不同芯片与电子元件封装在一起，是一种封装模组/模块产品，可以封装SoC无法集成的滤波器、射频器等元器件，功能更为完整。SIP具有体积小、功能集成度高、研发周期短、封装效率高、成本较低、兼容性好、稳定性好等优点。
SIP与传统印刷电路板以及SoC相比，均具有明显竞争优势，可广泛应用在通信、消费电子、汽车电子、物联网、医疗器械、工业控制、军工国防等领域。消费电子是SIP的重要下游市场，2015年9月，iPhone 6s上市，其大幅缩减PCB使用比例，SIP模块应用比例大幅增加，之后，iPhone、Apple Watch等系列产品一直青睐于采用SIP模块。在苹果的带动下，消费电子领域SIP模块需求量迅速上升。
3D的 SiP
SiP 是行业 3D 革命的一部分。除了以更精细的间距容纳更多 I/O 的趋势外，还有许多其他努力将更多内容塞进封装而不是单个芯片。这包括扇出中的多个重新分布层、桥接器和中介层以将不同的裸片连接在一起、双面封装以增加密度，以及嵌入式裸片选项以在更小的外形中实现更快的裸片到裸片处理，从而消耗更少的功率。
今天的 SiP 结合了各种组件，从 GPU 和 RF IC 到存储器、传感器、无源器件等等。“例如，ASE 的 SiP 技术支持集成不同的微控制器、ASIC、天线和传感器，从而控制连续血糖监测仪 (CGM) 中的所有功能，”ASE 企业研发副总裁 CP Hung 表示。
Hung 还描述了将四方扁平无引线 (QFN) 封装中的多个传感器重新设计为具有硅通孔的晶圆级芯片级封装 (WL-CSP)，这可以提高 80% 的电气性能，同时减少其足迹减少了 30%。Hung 表示，SiP 也有生物识别应用，包括用于测试血液的微流体通道的体外诊断、基于 SiP 的助听器以及用于传感器集线器的晶圆级 SiP，其占地面积比传统封装小 77%。
SiP 还动摇了供应链和成本结构。“你每天都会在手机上看到这一点。它们变得更薄、更轻，同时执行更多功能，但这要求封装与这些设计保持同步，这意味着保持信号完整性、管理热问题、减少干扰等，” QP高级工艺工程师 Sam Sadri 说技术。“但哪里有挑战，哪里就有解决方案。使用倒装芯片时，您在进行芯片贴装时会尝试从底部散发热量，因此您在接口处使用散热器和导热硅脂。我见过带有管道和冷却液的 3D 基板。”
除了评估 SiP 中的所有流程和配置选项外，Sadri 还强调了对系统中 IP 保护的日益关注。
Yole 分析师估计，到 2025 年，SiP 市场将以 5% 的复合年增长率增长至 170 亿美元，高于 2020 年的 138 亿美元。市场领导者是 ASE、索尼、Amkor、JCET 和台积电。大约 85% 的市场是移动和消费产品，其次是电信和基础设施，然后是汽车封装。
此外，SiP I/O 间距预计将从今天的 90-350µm 收窄到 2025 年的 80-90µm。使用铜柱的嵌入式硅桥，或使用 TSV 和微凸块的硅中介层，”Chitoraga 说。
SiP 包含多种组装方法，包括倒装芯片和引线键合 SiP（收入和单位最大），其次是扇出 WLP，然后是嵌入式芯片封装。Yole Intelligence 的技术和市场分析师 Gabriela Pereira 表示：“SiP 让系统设计人员能够灵活地混合和匹配 IC 技术、优化每个功能块的性能并降低成本。” “完全集成的 SiP 解决方案使设计人员能够以最少的设计工作将蓝牙或摄像头模块等附加功能实现到系统中。”
能够测量体温和拍摄心电图 (ECG) 的原型无线耳塞是 ASE 及其客户之一正在开发的可穿戴设备的最新示例（见图 2）。ASE 的 Kueihao Tseng 及其同事强调了这样一个事实，即工作电子、封装和测试框架位于耳塞外部附近，通过圆形 PCB 中的弹簧针连接。这种方法提高了信号完整性并实现了组件更换。工程师优化了成型工艺和金属聚合物材料以实现低电阻 (<0.05Ωm)，同时保持柔韧性以确保舒适贴合。
嵌入式 SiP
嵌入式 SiP 是一个快速发展的市场。在最近开发的 3D 嵌入式功率 SiP 中，模塑料 (EMC) 是最受关注的问题。该平台的一个特点是围绕夹在基板之间的功率 FET 的 EMC 填充工艺。EMC 必须满足杨氏模量（拉伸）和玻璃化转变温度（流动）的特定参数，以最大限度地减少封装翘曲——这在功率晶体管中尤其重要，因为它们无法获得摩尔定律缩放的好处。翘曲是使用 Ansys 的全有限元模型软件模拟的。
Amkor Technology Korea 高级总监 Byron Jin Kim 和他的团队使用 ICEPAK 软件比较了嵌入式 SiP 与双冷却 IGBT 在具有三个嵌入式结构的直接键合陶瓷上覆铜基板上的散热结果（见图 4）。选择 (d) 的嵌入式工艺在底部基板上使用芯片连接，并且只需要单面冷却。该团队确定基于引线框架的工艺模块表现出优于层压基板设计的热性能。此外，核心球的位置也很重要。
“铜芯球通过助焊剂印刷-球放置-回流工艺在顶部基板上进行。这种方法是在工艺参数设置中控制适当焊料润湿的关键，”报告称。展望未来，Amkor 预计会为类似系统提供各种嵌入式 SiP 选项，包括具有半桥和全桥应用的电源电路。
封装天线
对于 5G 和 6G，天线技术具有挑战性。天线的相控阵取代了单个天线，因为在毫米波和太赫兹 (THz) 频率下，从半导体封装到天线的长路径会导致高损耗。这使得需要将这些天线集成到 SiP 中。
“在 2018 年之前，LGA SiP 被用于射频行业，但由于双面封装的发展，BGA 已被广泛采用，”Yole 的 Pereira 说。“博通、Qorvo 和 Skyworks 等厂商通过 DSBGA 和 DS-MBGA（双面模压 BGA）等解决方案实施逐步创新，而村田直接实施 DS-MBGA 以实现系统集成和小型化。台积电的集成扇出型封装天线 (InFO_AiP) 是另一个等待使用的创新解决方案，但由于成本效率低下而被推迟。”
除了不同的封装类型外，用于高频用途的基板也在发生变化。传统PCB材料由于介电损耗和吸水率高，无法满足5G太赫兹频率的需求。业界目前正在评估各种液晶聚合物 (LCP) 基板的电性能、气密性和材料灵活性。
“我们一直在努力寻找信号强度和信号损失之间的平衡点，就 5G 而言，我们正在研究许多不同的材料集、不同的 LCP 集成，”Chang 说。“希望这种最小损耗解决方案能够简化整体 AiP 设计。”
结论
封装公司和代工厂正在寻求各种 SiP 以满足移动消费、通信和基础设施以及汽车应用之间的不同需求。为了降低成本和提高制造可靠性，正在为倒装芯片、扇出和嵌入式 SiP 添加新材料和工艺。但是与保持信号完整性、更快地传输更多数据以及克服工具/基板限制相关的移动目标将继续鼓励下一代创新。
来源：贤集网
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