SIP封装工艺流程

2022-03-17 561

系统级封装（SIP）技术自1990世纪XNUMX年代初至今已被提出。经过十余年的发展，已被学术界和工业界广泛接受，成为电子技术研究的新热点之一和技术应用的主要方向之一。他还认为自己代表了电子技术未来的发展方向。作为SIP封装技术的重要组成部分，SIP封装技术多年来在不断创新中取得了长足的进步，并逐渐形成了自己的技术体系，值得从事相关技术行业。技术人员和学者进行研究和学习。文章从封装技术的角度，详细介绍了SIP封装制造，并详细讨论了其工艺要点。

根据国际半导体路线组织（ITRS）的定义：SiP是优先组装多个不同功能的有源电子元件和可选无源器件，以及MEMS或光学器件等其他器件，以实现一定功能的单一器件。功能。形成系统或子系统的标准包。

从架构上来说，SiP将多种功能芯片集成在一个封装中，包括处理器、内存等功能芯片，从而实现基本完整的功能。对应于SOC（片上系统）。不同的是，系统级封装是不同芯片并排或堆叠使用的封装方式，而SOC是高度集成的芯片产品。

1.1.更多摩尔VS超越摩尔——SoC与SiP的比较

SiP是超越摩尔定律的重要实现路径。众所周知的摩尔定律发展到现阶段，它走向何方？行业有两条路：一是继续按照摩尔定律发展。走这条路的产品包括CPU、内存、逻辑器件等，这些产品占据了整个市场的50%。另一条是超越摩尔定律的More Than Moore路线。芯片的发展已经从一味追求功耗降低和性能提升转向更加务实的满足市场需求。该领域的产品包括模拟/射频器件、无源器件、电源管理器件等，约占剩余50%的市场份额。

针对这两条路径，诞生了两种产品：SoC和SiP。 SoC是摩尔定律不断下行的产物，而SiP则是实现超越摩尔定律的重要路径。两者都是在芯片级实现系统小型化和微型化的产品。

SoC 和 SIP 非常相似，因为两者都将包含逻辑组件、存储器组件甚至无源组件的系统集成到单个单元中。 SoC是从设计的角度来看，就是将系统所需的组件集成到单个芯片中。 SiP是一种封装方法，从封装角度来看，不同的芯片并排或堆叠，多个不同功能的有源电子元件和可选的无源器件，以及MEMS或光学器件等其他器件优先组装在一起。，实现某种功能的单个标准包。

从集成度来看，一般来说SoC只集成AP等逻辑系统，而SiP则集成AP+移动DDR。从某种程度上来说，SIP=SoC+DDR。未来随着集成度越来越高，emmc也有可能集成到SiP中。

从封装发展的角度来看，由于电子产品在体积、处理速度或电气特性方面的要求，SoC已被确立为未来电子产品设计的重点和发展方向。然而，随着近年来SoC生产成本不断上升，技术障碍频发，SoC的发展面临瓶颈，SiP的发展越来越受到业界的关注。

1.2. SiP——超越摩尔定律的必然选择路径

摩尔定律保证了芯片性能的不断提高。众所周知，摩尔定律是半导体行业发展的“圣经”。在硅基半导体上，晶体管的特征尺寸每 18 个月减半，性能提高一倍。性能提升的同时，带来了成本的降低，这使得半导体制造商有足够的动力实现半导体特征尺寸的缩小。其中，处理器芯片和存储芯片是最遵循摩尔定律的两类芯片。以英特尔为例，每一代产品都完美遵循摩尔定律。在芯片层面，摩尔定律推动着性能的不断进步。

PCB板不遵循摩尔定律，是整个系统性能提升的瓶颈。与芯片尺寸的不断缩小相对应，PCB板这些年来并没有太大变化。例如，十年前PCB主板的标准最小线宽是3mil（约75um），今天仍然是3mil，几乎没有改善。毕竟，PCB 不遵守摩尔定律。由于PCB的限制，整个系统的性能提升遇到了瓶颈。例如，由于PCB走线宽度没有改变，处理器和存储器之间的布线密度也保持不变。换句话说，在不改变处理器和内存封装尺寸的情况下，处理器和内存之间的连线数量不会发生明显变化。存储器带宽等于存储器接口位宽乘以存储器接口工作频率。存储器输出位宽等于处理器和存储器之间的连接数。近十年来，64bit由于PCB板技术的限制一直没有改变。因此，如果想要提高内存带宽，就只能提高内存接口的工作频率。这就限制了整个系统性能的提升。

SIP是解决系统束缚的赢家和输家。将多个半导体芯片和无源器件封装在同一芯片中，形成系统级芯片，而不是使用PCB板作为载体芯片之间的连接，可以解决因PCB先天不足而导致的系统性能下降本身。遇到瓶颈。以处理器和存储芯片为例，因为系统级封装中内部布线的密度可以远高于PCB布线的密度，从而解决PCB布线宽带带来的系统瓶颈。例如，由于存储芯片和处理器芯片可以通过通孔的方式连接在一起，因此不再受到PCB线宽的限制，从而可以在接口带宽中提高数据带宽。

我们相信 SiP 不仅仅是将芯片集成在一起。 SiP还具有开发周期短的优点；更多功能；更低的功耗、更好的性能、更低的成本价格、更小的尺寸、更轻的重量。总结如下：

SiP工艺分析

SIP封装工艺根据芯片与基板的连接方式可分为引线键合封装和倒装芯片键合。

2.1.引线键合封装工艺

引线键合封装工艺的主要流程如下：

晶圆→晶圆减薄→晶圆切割→芯片键合→引线键合→等离子清洗→液体封装剂灌封→焊球组装→回流焊接→表面打标→分离→最终检查→测试→包装。

晶圆减薄

晶圆减薄是指从晶圆背面进行机械或化学机械（CMP）研磨，将晶圆减薄至适合封装的水平。随着晶圆的尺寸越来越大，为了增加晶圆的机械强度并防止加工过程中的变形和破裂，其厚度一直在增加。但随着系统向轻、薄、短的方向发展，芯片封装后的模块厚度变得越来越薄。因此，在封装前必须将晶圆的厚度降低到可接受的水平，以满足芯片组装的要求。

晶圆切割

晶圆减薄后即可进行切割。老式的划片机是手动操作的，现在一般的划片机都是全自动的。无论是部分划片还是完全分割晶圆，目前都使用锯片，因为它可以划出整齐的边缘，很少有缺口和裂纹。

芯片贴装

切割后的芯片安装在框架的中间焊盘上。焊盘的尺寸应与芯片的尺寸相匹配。如果焊盘尺寸过大，引线跨距过大，在传递模塑过程中会因流动产生的应力而导致引线弯曲、芯片移位。安装方法可以用软焊料（指Pb-Sn合金，特别是含Sn的合金）、Au-Si共晶合金等焊接到基板上。塑料封装中最常用的方法是使用聚合物粘合剂。粘合剂粘在金属框架上。

引线键合

塑料封装中使用的引线主要是金线，其直径一般为0.025mm~0.032mm。引线长度通常在1.5mm至3mm之间，圆弧高度可比芯片所在平面高0.75mm。

键合技术包括热压焊、热超声焊接等。这些技术的优点是易于形成球形（即焊球技术）和防止金线氧化。为了降低成本，也正在研究其他金属线，如铝、铜、银、钯等来替代金线键合。热压焊的条件是两个金属表面紧密接触，控制时间、温度和压力，使两种金属连接。表面粗糙（凹凸不平）、氧化层形成或化学污染、吸湿等都会影响粘接效果，降低粘接强度。热压焊的温度为300℃~400℃，时间一般为40ms（通常加上寻找键合位置等程序，键合速度为每秒两丝）。超声波焊接的优点是可以避免高温，因为它利用20kHz~60kHz的超声波振动来提供焊接所需的能量，因此可以降低焊接温度。同时使用热能和超声波能进行粘合称为热超声焊接。与热压焊相比，热超声焊接的最大优点是使粘合温度从350℃降低到250℃左右（有人认为可以采用100℃~150℃的条件），可以大大降低焊接温度。铝焊盘上的粘合温度。可以形成金铝金属间化合物，延长器件寿命，同时减少电路参数漂移。引线键合的改进主要是由于封装越来越薄的需要，一些超薄封装只有0.4mm左右。因此，引线环（圈）由一般的200μm~300μm减小到100μm~125μm，从而使引线张力很大而且很紧。另外，基板上的走线焊盘的外围通常有两根环形电源/地线。为了防止键合时金线与其短路，最小间隙必须>625μm，键合线必须具有高线性度。度和良好的弧度。

等离子清洗

清洗的重要作用之一是提高薄膜的附着力，如在Si基板上沉积Au薄膜，用Ar等离子体处理碳氢化合物和其他污染物的表面，可以显着提高Au的附着力。等离子处理后的基材表面会留下一层含有氟化物的灰色物质，可用溶液除去。同时清洁还有助于提高表面附着力和润湿性。

液体密封胶灌封

将贴片、打线的框架胶带放入模具中，将预成型的模塑料块放入预热炉中加热（预热温度在90°C至95°C之间），然后放入转移中在成型机的传送槽中。在传递模塑活塞的压力下，模塑料被挤出到流道中，并通过浇口注射到模腔中（整个过程中模具温度保持在170℃至175℃左右）。模塑料在模具中迅速固化，经过一段时间的保压后，模块达到一定的硬度，然后用顶针将模块顶出，完成成型过程。对于大多数模塑料来说，在模具中保压几分钟后，模块的硬度足以允许脱模，但聚合物的固化（聚合）尚未完全完成。由于材料的聚合度（固化度）强烈影响材料的玻璃化转变温度和热应力，因此促进材料充分固化达到稳定状态，这对于提高材料的性能非常重要。器件的可靠性，而后固化是提高模塑料聚合度的必要工艺步骤，一般后固化条件为170℃～175℃，2h～4h。

液体密封胶灌封

目前业界采用的植球方式有两种：“锡膏”+“锡球”和“助焊剂膏”+“锡球”。 “锡膏”+“锡球”安装方式被业界公认为最佳标准球安装方式。这种方法植球具有良好的可焊性和光泽度，在熔锡过程中不会出现焊球偏移现象。更容易控制。具体方法是先将焊锡膏印刷在BGA焊盘上，然后用贴球机或丝网印刷添加一定尺寸的焊球。这时，焊膏的作用就是粘在锡上。加热时，焊球的接触面更大，使焊球受热更快、更全面，使焊球熔化后与焊盘有更好的可焊性，减少虚焊的可能性。

表面标记

标记是印在封装模块顶面上的不可磨灭的清晰字母和标识，包括制造商信息、国家、器件代码等，主要用于识别和追溯。喷码的方式有很多种，其中最常用的是喷码方式，它包括油墨印刷和激光印刷。

分开

为了提高生产效率和节省材料，大多数SIP组装工作都是以阵列组合的形式进行，在完成成型和测试过程后分为单个器件。分割可以通过锯切或冲压来完成。锯切工艺更加灵活，不需要很多专用工具。冲压工艺生产效率较高，成本较低，但需要使用专用工具。

2.2.倒装芯片焊接工艺

与引线键合工艺相比，倒装芯片工艺具有以下优点：

(1)倒装焊接技术克服了引线键合焊盘中心距限制的问题；

（2）为电子设计人员在芯片的电源/地分布设计时提供更多便利；

（3）通过缩短互连长度，减少RC延迟，为高频、大功率器件提供更完整的信号；

（4）散热性能优良，芯片背面可安装散热器；

（5）可靠性高，由于芯片下方填充物的作用，增强了封装的疲劳寿命；

(6)易于维修。

以下是倒装键合的工艺流程（与引线键合工艺相同，不再单独描述）：晶圆→焊盘重新分布→晶圆减薄、凸点制作→晶圆切割→倒装键合、底部填充→封装→组装焊球→回流焊→表面打标→分离→最终检验→测试→包装。

焊盘重新分布

为了增加引线间距并满足倒装芯片接合工艺的要求，需要对芯片的引线进行重新分布。

使颠簸

焊盘重新分布完成后，需要在芯片上的焊盘上添加凸块。焊料凸块制造技术可以是电镀、化学镀、蒸发、植球和焊膏印刷。目前应用最广泛的仍是电镀法，其次是焊膏印刷法。

倒装芯片接合、底部填充

将焊料凸块以网格阵列的形式布置在整个芯片接合面上后，将芯片倒装在封装基板上，通过凸块与基板上的焊盘实现电连接，代替WB 和 TAB。连接方法。倒装键合后，在芯片与基板之间填充环氧树脂，可以减少施加在凸块上的热应力和机械应力，与不填充相比，可靠性提高1~2个数量级。

SiP - 适用于应用

3.1.主要应用领域

SiP的应用非常广泛，主要包括：无线通信、汽车电子、医疗电子、计算机等。

应用最为广泛的无线通信领域。 SiP在无线通信领域的应用最早，也是应用最广泛的领域。在无线通信领域，对功能传输效率、噪声、体积、重量和成本的要求越来越高，迫使无线通信向低成本、便携、多功能、高性能的方向发展。 SiP是一种理想的解决方案，它结合了现有核心资源和半导体生产工艺的优势，降低了成本，缩短了上市时间，同时克服了SOC中的工艺兼容性、信号混合、噪声干扰和电磁干扰等困难。手机中的射频功率放大器集成了射频功率放大器、功率控制和收发开关的功能，这些功能在SiP中完全解决。

汽车电子是SiP的重要应用场景。 SiP在汽车电子领域的应用逐渐增多。以发动机控制单元（ECU）为例，ECU由微处理器（CPU）、存储器（ROM、RAM）、输入/输出接口（I/O）、模数转换器（A/D）组成，以及大规模集成电路组成。不同类型的芯片有不同的工艺。目前常采用SiP将芯片集成为完整的控制系统。此外，汽车防抱死制动系统（ABS）、燃油喷射控制系统、安全气囊电子系统、方向盘控制系统、轮胎低压报警系统等单元，SiP的使用量也在不断增加。此外，SIP技术还成功应用于快速发展的车载办公系统和娱乐系统。

医疗电子产品需要兼具可靠性和小尺寸，以及功能性和使用寿命。该领域的典型应用是植入式电子医疗设备，例如胶囊内窥镜。内窥镜由光学镜头、图像处理芯片、射频信号发射器、天线和电池组成。图像处理芯片是数字芯片，射频信号发射器是模拟芯片，天线是无源器件。将这些器件封装在 SiP 中可以完美满足性能和小型化要求。

SiP在计算机领域的应用主要来自于将处理器和存储器集成在一起。以GPU为例，它通常包括图形计算芯片和SDRAM。两种包装方式并不相同。图形计算采用标准塑料球阵列多芯片封装，不适合SDRAM。因此，需要将两类芯片分别封装，然后以SiP的形式封装在一起。

SiP 在其他消费电子产品中也有许多应用。这包括ISP（图像处理芯片）、蓝牙芯片等。 ISP是数码相机、扫描仪、摄像机、玩具等电子产品的核心器件。它通过光电转换将光信号转换为数字信号，进而实现图像处理、显示和存储。图像传感器包括一系列不同类型的元件，如CCD、CMOS图像传感器、接触式图像传感器、电荷加载器件、光学二极管阵列、非晶硅传感器等。SiP技术无疑是一种理想的封装技术解决方案。

蓝牙系统一般由无线部分、链路控制部分、链路管理支持部分和主终端接口组成。 SiP技术可以使蓝牙变得越来越小，以满足市场的需求，从而大力推动蓝牙技术的应用。 SiP 完成了在超小型封装中集成蓝牙无线技术功能所需的所有组件（无线电、基带处理器、ROM、滤波器和其他分立组件）。

电子产品具有高性能、小型化、多品种、小批量的特点，SiP技术符合电子的应用需求，因此在该技术领域有着广阔的应用市场和发展前景。

3.2.SiP——专为智能手机量身定制

手机的轻薄化带来了SiP需求的增加。手机是SiP封装领域的最大市场。随着智能手机变得更轻薄，对SiP的需求自然会上升。 2011年至2015年，各品牌手机厚度不断降低。减薄自然对组装部件的厚度要求越来越高。以iPhone 6s为例，PCB的使用量大幅减少，许多芯片元件将采用SiP模块实现。说到iPhone 8，它可能是苹果第一款采用SiP的手机。这意味着，一方面，iPhone 8可以做得更薄、更轻，另一方面，也会有更多的空间容纳其他功能模块，比如更强大的摄像头、扬声器和电池。

看看 Apple 产品中的 SiP 应用。苹果是一家坚定看好SiP应用的公司。苹果此前曾在 Apple Watch 上使用过 SiP 封装。

除了手表之外，苹果手机中使用的SiP数量也在逐渐增加。列出的有：触摸芯片、指纹识别芯片、RFPA等。

触摸芯片。在iPhone6中，有两颗触控芯片，分别由Broadcom和TI提供，而在6S中，两者密封在同一个封装中，实现了SiP封装。未来整个TDDI将会进一步封装。新一代 3D Touch 技术在 iPhone 6s 中得到了展示。触摸感应检测可以穿透绝缘材料外壳，通过检测人体手指带来的电压变化来判断人体手指的触摸动作，从而实现不同的功能。触摸芯片就是采集接触点的电压值，经过处理后将这些电极电压信号转换成坐标信号，并根据坐标信号控制手机响应相应的功能，从而实现其控制功能。 3D Touch的出现对触控模组的处理能力和性能提出了更高的要求。其结构复杂，需要触控芯片采用SiP组装，触觉反馈功能增强了其操作友好性。

指纹识别也采用SiP封装。传感器和控制芯片封装在一起，从iPhone 5开始就采用了类似的技术。

RFPA 模块。手机中的 RFPA 是最常用的 SiP 形式。 iPhone 6S 也不例外。 iPhone 6S中有多颗RFPA芯片，全部采用SiP。

按照苹果的习惯，所有成熟的技术都会传承给下一代。我们判断，即将推出的苹果iPhone 7将更多地采用SiP技术，而未来的iPhone 7s和iPhone 8将更加全面，更大程度地使用SiP技术。以压缩内部空间。

SIP封装形式

SIP封装技术采用多种裸芯片或模块进行排列组装。如果按排列方式区分，大致可分为平面2D封装和3D封装结构。与2D封装相比，采用堆叠式3D封装技术可以增加所使用的晶圆或模块数量，从而增加晶圆在垂直方向上可放置的层数，进一步增强SIP技术的功能集成能力。内部键合技术可以是简单的引线键合（Wire Bonding），也可以是倒装芯片键合（Flip Chip），或者两者的组合。

从目前业界SIP的设计类型和结构区分，SIP可以分为三类。

2D SIP

这种封装方式是将芯片以二维方式逐一封装在同一封装基板上的封装体内。

堆叠式 SIP

这种类型的封装是一种将两个或多个芯片堆叠物理集成在一个封装中的封装。

3D SIP

此类封装以2D封装为基础，将多个芯片、封装芯片、多芯片甚至晶圆堆叠互连，形成三维封装。这种结构也称为堆叠式3D封装。