SIP封裝製程

2022-03-17 529

系統級封裝（SIP）技術自1990年代初至今已被提出。經過十餘年的發展，已被學術界和工業界廣泛接受，成為電子技術研究的新熱點之一和技術應用的主要方向之一。他也認為自己代表了電子技術未來的發展方向。作為SIP封裝技術的重要組成部分，SIP封裝技術多年來在不斷創新中取得了長足的進步，並逐漸形成了自己的技術體系，值得從事相關技術行業。技術人員和學者進行研究和學習。文章從封裝技術的角度，詳細介紹了SIP封裝製造，並詳細討論了其製程要點。

根據國際半導體路線組織（ITRS）的定義：SiP是優先組裝多個不同功能的主動電子元件和可選被動元件，以及MEMS或光學元件等其他裝置，以實現一定功能的單一元件。形成系統或子系統的標準包。

從架構上來說，SiP將多種功能晶片整合在一個封裝中，包括處理器、記憶體等功能晶片，從而實現基本完整的功能。對應SOC（系統單晶片）。不同的是，系統級封裝是不同晶片並排或堆疊使用的封裝方式，而SOC是高度整合的晶片產品。

1.1.更多摩爾VS超越摩爾——SoC與SiP的比較

SiP是超越摩爾定律的重要實現路徑。眾所周知的摩爾定律發展到現階段，它走向何方？產業有兩條路：一是繼續按照摩爾定律發展。走這條路的產品包括CPU、記憶體、邏輯元件等，這些產品佔據了整個市場的50%。另一條是超越摩爾定律的More Than Moore路線。晶片的發展已經從一味追求功耗降低和性能提升轉向更務實的滿足市場需求。此領域的產品包括類比/射頻元件、被動元件、電源管理元件等，約佔剩餘50%的市場份額。

針對這兩條路徑，誕生了兩種產品：SoC和SiP。 SoC是摩爾定律不斷下行的產物，而SiP則是實現超越摩爾定律的重要路徑。兩者都是在晶片級實現系統小型化和小型化的產品。

SoC 和 SIP 非常相似，因為兩者都將包含邏輯元件、記憶體元件甚至被動元件的系統整合到單一單元中。 SoC是從設計的角度來看，就是將系統所需的組件整合到單一晶片中。 SiP是一種封裝方法，從封裝角度來看，不同的晶片並排或堆疊，多個不同功能的主動電子元件和可選的被動元件，以及MEMS或光學元件等其他裝置優先組裝在一起。，實現某種功能的單一標準包。

從整合度來看，一般來說SoC只整合AP等邏輯系統，而SiP則是整合AP+行動DDR。從某種程度上來說，SIP=SoC+DDR。未來隨著整合度越來越高，emmc也有可能整合到SiP。

從封裝發展的角度來看，由於電子產品在體積、處理速度或電氣特性方面的要求，SoC已被確立為未來電子產品設計的重點和發展方向。然而，隨著近年來SoC生產成本不斷上升，技術障礙頻傳，SoC的發展面臨瓶頸，SiP的發展也越來越受到業界的關注。

1.2. SiP－超越摩爾定律的必然選擇路徑

摩爾定律保證了晶片性能的不斷提高。眾所周知，摩爾定律是半導體產業發展的「聖經」。在矽基半導體上，電晶體的特徵尺寸每 18 個月減半，性能提高一倍。在性能提升的同時，帶來了成本的降低，這使得半導體製造商有足夠的動力來實現半導體特徵尺寸的縮小。其中，處理器晶片和記憶體晶片是最遵循摩爾定律的兩類晶片。以英特爾為例，每一代產品都完美遵循摩爾定律。在晶片層面，摩爾定律推動著性能的不斷進步。

PCB板不遵循摩爾定律，是整個系統效能提升的瓶頸。與晶片尺寸的不斷縮小相對應，PCB板這些年來並沒有太大變化。例如，十年前PCB主機板的標準最小線寬是3mil（約75um），至今仍是3mil，幾乎沒有改善。畢竟，PCB 不遵守摩爾定律。由於PCB的限制，整個系統的效能提升遇到了瓶頸。例如，由於PCB走線寬度沒有改變，處理器和記憶體之間的佈線密度也保持不變。換句話說，在不改變處理器和記憶體封裝尺寸的情況下，處理器和記憶體之間的連線數量不會發生明顯變化。記憶體頻寬等於記憶體介面位元寬乘以記憶體介面工作頻率。記憶體輸出位寬等於處理器和記憶體之間的連接數。近十年來，64bit由於PCB板技術的限制一直沒有改變。因此，如果想要提高記憶體頻寬，就只能提高記憶體介面的工作頻率。這就限制了整個系統效能的提升。

SIP是解決系統束縛的贏家和輸家。將多個半導體晶片和被動元件封裝在同一晶片中，形成系統級晶片，而不是使用PCB板作為載體晶片之間的連接，可以解決因PCB固有缺陷而導致的系統性能下降本身。遇到瓶頸。以處理器和記憶體晶片為例，因為系統級封裝中內部佈線的密度可以遠高於PCB佈線的密度，從而解決PCB佈線寬頻帶來的系統瓶頸。例如，由於記憶體晶片和處理器晶片可以透過通孔的方式連接在一起，因此不再受到PCB線寬的限制，從而可以在介面頻寬中提高資料頻寬。

我們相信 SiP 不僅僅是將晶片整合在一起。 SiP還具有開發週期短的優點；更多功能；更低的功耗、更好的性能、更低的成本價格、更小的尺寸、更輕的重量。總結如下：

SiP製程分析

SIP封裝製程依晶片與基板的連接方式可分為引線鍵結封裝與倒裝晶片鍵結。

2.1.引線鍵合封裝工藝

引線鍵合封裝製程的主要流程如下：

晶圓→晶圓減薄→晶圓切割→晶片鍵合→引線鍵合→等離子清洗→液體封裝劑灌封→焊球組裝→回流焊接→表面打標→分離→最終檢查→測試→包裝。

晶圓減薄

晶圓減薄是指從晶圓背面進行機械或化學機械（CMP）研磨，將晶圓減薄至適合封裝的水平。隨著晶圓的尺寸越來越大，為了增加晶圓的機械強度並防止加工過程中的變形和破裂，其厚度一直在增加。但隨著系統向輕、薄、短的方向發展，晶片封裝後的模組厚度變得越來越薄。因此，在封裝前必須將晶圓的厚度降低到可接受的水平，以滿足晶片組裝的要求。

晶圓切割

晶圓減薄後即可切割。老式的劃片機是手動操作的，現在一般的劃片機都是全自動的。無論是部分劃片還是完全分割晶圓，目前都使用鋸片，因為它可以劃出整齊的邊緣，很少有缺口和裂縫。

晶片貼裝

切割後的晶片安裝在框架的中間焊盤上。焊盤的尺寸應與晶片的尺寸相符。如果焊盤尺寸過大，引線跨距過大，在傳遞模塑過程中會因流動產生的應力而導致引線彎曲、晶片移位。安裝方法可以用軟焊料（指Pb-Sn合金，特別是含Sn的合金）、Au-Si共晶合金等焊接到基板上。黏合劑黏在金屬框架上。

引線鍵合

塑膠封裝中使用的引線主要是金線，其直徑一般為0.025mm~0.032mm。引線長度通常在1.5mm到3mm之間，圓弧高度可比晶片所在平面高0.75mm。

鍵結技術包括熱壓焊、熱超音波焊接等。為了降低成本，也正在研究其他金屬線，如鋁、銅、銀、鈀等來取代金線鍵結。熱壓焊的條件是兩個金屬表面緊密接觸，控制時間、溫度和壓力，使兩種金屬連接。表面粗糙（凹凸不平）、氧化層形成或化學污染、吸濕等都會影響黏接效果，降低黏接強度。熱壓焊的溫度為300℃~400℃，時間一般為40ms（通常加上尋找鍵結位置等程序，鍵結速度為每秒兩絲）。超音波焊接的優點是可以避免高溫，因為它利用20kHz~60kHz的超音波振動來提供焊接所需的能量，因此可以降低焊接溫度。同時使用熱能和超音波能進行黏合稱為熱超音波焊接。與熱壓焊相比，熱超音波焊接的最大優點是使黏合溫度從350℃降低到250℃左右（有人認為可以採用100℃~150℃的條件），可以大幅降低焊接溫度。的黏合溫度。可形成金鋁金屬間化合物，延長元件壽命，同時減少電路參數漂移。引線鍵合的改進主要是因為封裝越來越薄的需要，有些超薄封裝只有0.4mm左右。因此，引線環（圈）由一般的200μm~300μm減小到100μm~125μm，從而使引線張力很大而且很緊。另外，基板上的走線焊盤的外圍通常有兩根環形電源/接地線。為了防止鍵合時金線與其短路，最小間隙必須>625μm，鍵合線必須具有高線性度。度和良好的弧度。

等離子清洗

清洗的重要作用之一是提高薄膜的附著力，如在Si基板上沉積Au薄膜，用Ar等離子體處理碳氫化合物和其他污染物的表面，可以顯著提高Au的附著力。等離子處理後的基材表面會留下一層含有氟化物的灰色物質，可用溶液除去。同時清潔也有助於提高表面附著力和潤濕性。

液體密封膠灌封

將貼片、打線的框架膠帶放入模具中，將預成型的模塑膠塊放入預熱爐中加熱（預熱溫度在90°C至95°C之間），然後放入轉移中在成型機的傳送槽中。在傳遞模塑活塞的壓力下，模塑被擠出到流道中，並透過澆口注射到模腔中（整個過程中模具溫度保持在170℃至175℃左右）。模塑料在模具中迅速固化，經過一段時間的保壓後，模組達到一定的硬度，然後用頂針將模組頂出，完成成型過程。對於大多數模塑料來說，在模具中保壓幾分鐘後，模組的硬度足以允許脫模，但聚合物的固化（聚合）尚未完全完成。由於材料的聚合度（固化度）強烈影響材料的玻璃化轉變溫度和熱應力，因此促進材料充分固化達到穩定狀態，這對於提高材料的性能非常重要。聚合度的必要製程步驟，一般後固化條件為170℃～175℃，2h～4h。

液體密封膠灌封

目前業界採用的植球方式有兩種：「錫膏」+「錫球」和「助焊劑膏」+「錫球」。「錫膏」+「錫球」安裝方式被業界公認為最佳標準球安裝方式。這種方法植球具有良好的可焊性和光澤度，在熔錫過程中不會出現焊球偏移現象。更容易控制。具體方法是先將焊膏印在BGA焊盤上，然後用貼球機或網版印刷添加一定尺寸的焊球。這時，焊膏的作用就是要黏在錫上。加熱時，焊球的接觸面更大，使焊球受熱更快、更全面，使焊球熔化後與焊盤有更好的可焊性，減少虛焊的可能性。

表面標記

標記是印在封裝模組頂面上的不可磨滅的清晰字母和標識，包括製造商資訊、國家、裝置代碼等，主要用於識別和追溯。噴碼的方式有很多種，其中最常用的是噴碼方式，它包括油墨印刷和雷射印刷。

分開

為了提高生產效率和節省材料，大多數SIP組裝工作都是以陣列組合的形式進行，在完成成型和測試過程後分為單一裝置。分割可以透過鋸切或沖壓來完成。鋸切工藝更靈活，不需要很多專用工具。沖壓製程生產效率較高，成本較低，但需使用專用工具。

2.2.倒裝芯片焊接工藝

與引線鍵合製程相比，倒裝晶片製程具有以下優點：

(1)倒裝焊接技術克服了引線鍵結焊盤中心距限制的問題；

（2）為電子設計人員在晶片的電源/地分佈設計時提供更多便利；

（3）透過縮短互連長度，減少RC延遲，為高頻、高功率裝置提供更完整的訊號；

（4）散熱性能優良，晶片背面可安裝散熱器；

（5）可靠性高，由於晶片下方填充物的作用，增強了封裝的疲勞壽命；

(6)易於維修。

以下是倒裝鍵合的製程流程（與引線鍵合製程相同，不再單獨描述）：晶圓→焊盤重新分佈→晶圓減薄、凸點製作→晶圓切割→倒裝鍵結、底部填充→封裝→組裝焊球→回流焊→表面打標→分離→最終檢驗→測試→包裝。

焊盤重新分佈

為了增加引線間距並滿足倒裝晶片接合製程的要求，需要對晶片的引線進行重新分佈。

使顛簸

焊盤重新分佈完成後，需要在晶片上的焊盤上添加凸塊。焊料凸塊製造技術可以是電鍍、化學鍍、蒸發、植球和焊膏印刷。目前應用最廣泛的仍是電鍍法，其次是焊膏印刷法。

倒裝晶片接合、底部填充

將焊錫凸塊以網格陣列的形式佈置在整個晶片接合面上後，將晶片倒裝在封裝基板上，透過凸塊與基板上的焊盤實現電連接，取代WB 和 TAB。連接方法。倒裝鍵合後，在晶片與基板之間填充環氧樹脂，可以減少施加在凸塊上的熱應力和機械應力，與不填充相比，可靠性提高1~2個數量級。

SiP - 適用於應用

3.1.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、醫療電子、電腦等。

應用最廣泛的無線通訊領域。 SiP在無線通訊領域的應用最早，也是應用最廣的領域。在無線通訊領域，對功能傳輸效率、雜訊、體積、重量和成本的要求越來越高，迫使無線通訊朝向低成本、便攜、多功能、高效能的方向發展。 SiP是一種理想的解決方案，它結合了現有核心資源和半導體生產流程的優勢，降低了成本，縮短了上市時間，同時克服了SOC中的製程相容性、訊號混合、雜訊幹擾和電磁幹擾等困難。手機中的射頻功率放大器整合了射頻功率放大器、功率控制和收發開關的功能，這些功能在SiP中完全解決。

汽車電子是SiP的重要應用場景。 SiP在汽車電子領域的應用逐漸增加。以引擎控制單元（ECU）為例，ECU由微處理器（CPU）、記憶體（ROM、RAM）、輸入/輸出介面（I/O）、類比數位轉換器（A/D）組成，以及大規模積體電路組成。不同類型的晶片有不同的製程。目前常採用SiP將晶片集成為完整的控制系統。此外，汽車防鎖死煞車系統（ABS）、燃油噴射控制系統、安全氣囊電子系統、方向盤控制系統、輪胎低壓警報系統等單元，SiP的使用量也不斷增加。此外，SIP技術也成功應用於快速發展的車載辦公系統和娛樂系統。

醫療電子產品需要兼具可靠性和小尺寸，以及功能性和使用壽命。該領域的典型應用是植入式電子醫療設備，例如膠囊內視鏡。內視鏡由光學鏡頭、影像處理晶片、射頻訊號發射器、天線和電池組成。影像處理晶片是數位晶片，射頻訊號發射器是類比晶片，天線是被動元件。將這些裝置封裝在 SiP 中可以完美滿足性能和小型化要求。

SiP在電腦領域的應用主要來自於將處理器和記憶體整合在一起。以GPU為例，它通常包括圖形運算晶片和SDRAM。兩種包裝方式並不相同。圖形運算採用標準塑膠球陣列多晶片封裝，不適合SDRAM。因此，需要將兩類晶片分別封裝，然後以SiP的形式封裝在一起。

SiP在其他消費性電子產品中也有很多應用，包括ISP（影像處理晶片）、藍牙晶片等等。 ISP是數位相機、掃描器、攝影機、玩具等電子產品的核心裝置，它透過光電轉換將光訊號轉換為數位訊號，進而實現影像處理、顯示和儲存。影像感測器包括一系列不同類型的元件，例如CCD、CMOS影像感測器、接觸式影像感測器、電荷加載裝置、光學二極體陣列、非晶矽感測器等。 SiP技術無疑是理想的封裝技術解決方案。

藍牙系統一般由無線部分、鏈路控制部分、鏈路管理支援部分和主終端介面組成。 SiP技術可以使藍牙變得越來越小，以滿足市場的需求，從而大力推動藍牙技術的應用。 SiP 完成了在超小型封裝中整合藍牙無線技術功能所需的所有組件（無線電、基頻處理器、ROM、濾波器和其他分立組件）。

電子產品具有高性能、小型化、多品種、小批量的特性。 SiP技術符合電子的應用需求，因此在該技術領域有著廣泛的應用市場和發展前景。

3.2.SiP－專為智慧型手機量身定制

手機的輕薄化帶來了SiP需求的增加。手機是SiP封裝領域的最大市場。隨著智慧型手機變得更輕薄，對SiP的需求自然會上升。 2011年至2015年，各品牌手機厚度不斷降低。減薄自然對組裝零件的厚度要求越來越高。以iPhone 6s為例，PCB的使用量大幅減少，許多晶片元件將採用SiP模組實作。說到iPhone 8，它可能是蘋果第一款採用SiP的手機。這意味著，一方面，iPhone 8可以做得更薄、更輕，另一方面，也會有更多的空間容納其他功能模組，例如更強大的相機、揚聲器和電池。

看看 Apple 產品中的 SiP 應用。蘋果是一家堅定看好SiP應用的公司。蘋果此前曾在 Apple Watch 上使用過 SiP 封裝。

除了手錶之外，蘋果手機中使用的SiP數量也逐漸增加。列出的有：觸控晶片、指紋辨識晶片、RFPA等。

觸摸晶片。在iPhone6中，有兩顆觸控晶片，分別由Broadcom和TI提供，而在6S中，兩者密封在同一個封裝中，實現了SiP封裝。未來整個TDDI將會進一步封裝。新一代 3D Touch 技術在 iPhone 6s 中展示了。觸摸感應偵測可以穿透絕緣材料外殼，透過偵測人體手指帶來的電壓變化來判斷人體手指的觸摸動作，從而實現不同的功能。觸控晶片就是採集接觸點的電壓值，經過處理後將這些電極電壓訊號轉換成座標訊號，並根據座標訊號控製手機響應對應的功能，從而實現其控制功能。 3D Touch的出現對觸控模組的處理能力和性能提出了更高的要求。其結構複雜，需要觸控晶片採用SiP組裝，觸覺回饋功能增強了其操作友善性。

指紋辨識也採用SiP封裝。感測器和控制晶片封裝在一起，從iPhone 5開始就採用了類似的技術。

RFPA 模組。手機中的 RFPA 是最常用的 SiP 形式。 iPhone 6S 也不例外。 iPhone 6S中有多顆RFPA晶片，全部採用SiP。

按照蘋果的習慣，所有成熟的技術都會傳承給下一代。我們判斷，即將推出的蘋果iPhone 7將更多地採用SiP技術，而未來的iPhone 7s和iPhone 8將更加全面，更大程度地使用SiP技術。以壓縮內部空間。

SIP封裝形式

SIP封裝技術採用多種裸晶片或模組進行排列組裝。如果以排列方式區分，大致可分為平面2D封裝和3D封裝結構。與2D封裝相比，採用堆疊式3D封裝技術可增加所使用的晶圓或模組數量，從而增加晶圓在垂直方向上可放置的層數，進一步增強SIP技術的功能整合能力。內部鍵結技術可以是簡單的引線鍵結（Wire Bonding），也可以是倒裝晶片鍵結（Flip Chip），或是兩者的組合。

從目前業界SIP的設計類型和結構區分，SIP可以分為三類。

2D SIP

這種封裝方式是將晶片以二維方式逐一封裝在同一封裝基板上的封裝體內。

堆疊式 SIP

這種類型的封裝是一種將兩個或多個晶片堆疊實體整合在一個封裝中的封裝。

3D SIP

此類封裝以2D封裝為基礎，將多個晶片、封裝晶片、多晶片甚至晶圓堆疊互連，形成三維封裝。這種結構也稱為堆疊式3D封裝。