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1 SiP項(xiàng)目成功的三要素

做SiP項(xiàng)目的人，都希望項(xiàng)目能夠一次成功，取得同行和領(lǐng)導(dǎo)的認(rèn)可，從而爭(zhēng)取更多的項(xiàng)目和經(jīng)費(fèi)支持。那怎么才能使項(xiàng)目一次成功呢？這就需要我們把握好SiP項(xiàng)目成功的三要素，那就是： 裸芯片、設(shè)計(jì)仿真、生產(chǎn)制造 。

1.1 裸芯片

裸芯片(die,bare die,bare chip)，通常是指半導(dǎo)體元器件制造完成，封裝之前的產(chǎn)品形式。裸芯片通常是以晶圓形式(wafer form)或單顆芯片(die form)的形式存在，封裝后成為半導(dǎo)體元件、集成電路、或更復(fù)雜電路例如系統(tǒng)級(jí)封裝SiP的組成部分。

在國(guó)內(nèi)，由于國(guó)外芯片禁運(yùn)等原因，很多國(guó)外芯片難以購(gòu)買，對(duì)于裸芯片更是如此。經(jīng)常一款SiP項(xiàng)目中需要的部分裸芯片無(wú)法購(gòu)買到，這時(shí)該項(xiàng)目就難以繼續(xù)。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，通常的解決方法有以下四種：

1. 采用***代替，目前***也是遍地開(kāi)花，通常國(guó)際上比較著名的芯片廠商的產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)都可以找到對(duì)應(yīng)的替代品，雖然在性能和容量等方面還無(wú)法達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品的水準(zhǔn)，但很大程度上已經(jīng)能滿足SiP項(xiàng)目的需要了。
2. 采用同類芯片代替，例如AD，DA、運(yùn)放類裸芯片，很多功能相近，可以通用，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的前提下，可以用可購(gòu)買到的同類芯片替代。
3. 更改設(shè)計(jì)方案，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行合理的裁剪，例如一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)并不一定要完全在一個(gè)SiP中實(shí)現(xiàn)，可以分成例如系統(tǒng)主控SiP，數(shù)據(jù)處理SiP，接口管理SiP等，這樣就比較容易首先實(shí)現(xiàn)某一部分功能的SiP了。
4. 實(shí)在找不到裸芯片但還必須在項(xiàng)目中用的芯片，可以采用小封裝例如CSP,QFN等代替，這個(gè)需要提前和生產(chǎn)廠家溝通工藝兼容性問(wèn)題。

以上四種方法在實(shí)際項(xiàng)目中都有應(yīng)用，也取得了良好的效果，用戶最終都做出了滿意的SiP產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)有的功能。

1.2 設(shè)計(jì)仿真

目前，SiP設(shè)計(jì)軟件有兩個(gè)廠家提供，Mentor和Cadence，SiP仿真軟件則有Mentor、AnSys、Cadence、ADS等多家。每家軟件都有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，這里我們不準(zhǔn)備詳述各個(gè)軟件的功能比較，后面的的文章，我會(huì)專門對(duì)各家軟件進(jìn)行描述并對(duì)其功能進(jìn)行比較。

1. 針對(duì) 設(shè)計(jì)軟件 ，主要需要考慮其功能時(shí)是否對(duì)鍵合線(Wire Bonding)、芯片堆疊(Die Stacks)、腔體(Cavity)、倒裝焊(Flip Chip)及重分布層(RDL)、埋入式無(wú)源元件(Embedded Passive)、參數(shù)化射頻電路(RF)、多版圖項(xiàng)目管理、多人實(shí)時(shí)協(xié)同設(shè)計(jì)、3D實(shí)時(shí)DRC等最新的SiP技術(shù)能有較好的支持。
2. 針對(duì) 仿真軟件 ，主要需要考慮能否方便地將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入，并能夠正確識(shí)別各設(shè)計(jì)元素；是否具備SI、PI、EMI、熱、電磁場(chǎng)等仿真功能，仿真精度、仿真速度能否滿足項(xiàng)目要求等。

另外，除了軟件本身的功能外，還需要重點(diǎn)了解各個(gè)廠家對(duì)技術(shù)支持的重視程度和技術(shù)支持人員的經(jīng)驗(yàn)水平等因素，因?yàn)楹芏嘤脩舫醮谓佑|SiP項(xiàng)目，軟件廠家技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)水平對(duì)項(xiàng)目成功起到重要甚至決定性的作用。

1.3 生產(chǎn)制造

一款SiP設(shè)計(jì)完成后，必須選擇合理并且靠譜的生產(chǎn)廠家，才能夠保證項(xiàng)目的最終成功。

一般情況下，塑料封裝、陶瓷封裝、金屬封裝的生產(chǎn)工藝完全不同，其設(shè)計(jì)規(guī)則定義也會(huì)差別很大，所以要根據(jù)項(xiàng)目情況提前考慮選擇不同類型的生產(chǎn)廠家。

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)的過(guò)程中就需要提前和相關(guān)廠家取得聯(lián)系，獲取廠家的工藝能力和生產(chǎn)制造要求，并以此為依據(jù)定義設(shè)計(jì)規(guī)則，這樣設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品才能滿足生產(chǎn)制造的要求，即所謂的可制造性設(shè)計(jì)DFM(design for manufacture)。

廠家往往為了爭(zhēng)取更多項(xiàng)目，常常也會(huì)將其極限的生產(chǎn)能力報(bào)給用戶，這時(shí)候我們就需要合理的考核其常規(guī)生產(chǎn)能力和極限生產(chǎn)能力，盡量在其常規(guī)生產(chǎn)能力范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣就避免了成品率過(guò)低或者價(jià)格過(guò)高的問(wèn)題。

另外，還需要了解廠家是否完全具備【基板+封裝+測(cè)試】的能力，還是只具備其中某一種能力，其它需要通過(guò)外協(xié)來(lái)完成，此時(shí)需要和廠家協(xié)商好如何保證產(chǎn)品質(zhì)量和進(jìn)度，避免由于生產(chǎn)環(huán)節(jié)周期過(guò)長(zhǎng)而造成的項(xiàng)目延誤。

2 如何選擇SiP產(chǎn)品工藝和材料

對(duì)于一個(gè)新的SiP產(chǎn)品或者項(xiàng)目，設(shè)計(jì)師首先需要了解的就是采用什么樣的工藝和材料來(lái)實(shí)現(xiàn)SiP產(chǎn)品，不同的選擇會(huì)帶來(lái)哪些不同，成本、周期有多大的區(qū)別？

SiP系統(tǒng)級(jí)封裝產(chǎn)品按工藝或材料通常主要分為：塑料封裝SiP、陶瓷封裝SiP和金屬封裝SiP三種類型，參看圖1。

圖1 三種不同工藝材料的SiP封裝類型

每種類型的 SiP產(chǎn)品都有其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，需要設(shè)計(jì)師根據(jù)項(xiàng)目的用途、項(xiàng)目周期、項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)情況進(jìn)行合理選擇。

2.1 塑料封裝SiP

塑料封裝SiP通常稱為塑封SiP，主要應(yīng)用于商業(yè)級(jí)產(chǎn)品，具有低成本優(yōu)勢(shì)，但在芯片散熱、穩(wěn)定性、氣密性方面相對(duì)較差。其特點(diǎn)主要總結(jié)如下：

1. 密封性稍差，無(wú)法阻擋濕氣和腐蝕性氣體對(duì)芯片的腐蝕；
2. 不容易拆解，模封灌膠后，幾乎無(wú)法打開(kāi)，否則損壞芯片；
3. 散熱性能較差，因?yàn)橛袡C(jī)基板和模封膠的傳熱系數(shù)低；
4. 工作溫度范圍小，一般溫度范圍為0℃~+70℃，工業(yè)級(jí)的是-40℃~+85℃；
5. 生產(chǎn)周期短，一般生產(chǎn)周期2~3個(gè)月；
6. 價(jià)格便宜，成本低廉，一次打樣需要人民幣10萬(wàn)元左右；
7. 適合大批生產(chǎn)，在商業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

塑料封裝SiP一般采用有機(jī)基板對(duì)芯片進(jìn)行互聯(lián)和承載，然后通過(guò)模封灌膠的方式對(duì)芯片進(jìn)行加固和密封，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 塑封SiP的結(jié)構(gòu)

2.2 陶瓷封裝SiP

陶瓷封裝SiP多用于工業(yè)級(jí)產(chǎn)品、軍品以及航空航天、軍工等領(lǐng)域，其散熱優(yōu)良，氣密性好、可靠性高。同時(shí)，陶瓷具有可拆解的優(yōu)勢(shì)，便于故障查找和問(wèn)題“歸零”。其特點(diǎn)主要總結(jié)如下：

1. 密封性好，可以做到氣密性，阻擋濕氣和腐蝕性氣體；
2. 散熱性能好，陶瓷基板外殼的熱傳導(dǎo)系數(shù)比較大，利于芯片散熱；
3. 對(duì)極限溫度的抵抗性好，陶瓷封裝工作溫度可達(dá)到軍品要求-55℃~+150℃；
4. 容易拆解，便于問(wèn)題分析，陶瓷封裝體內(nèi)部芯片都處于真空裸露狀態(tài)；
5. 體積小，適合大規(guī)模復(fù)雜芯片，主要相對(duì)與金屬封裝而言；
6. 生產(chǎn)周期長(zhǎng)，一般生產(chǎn)周期6~8個(gè)月；
7. 價(jià)格高，一次打樣需要人民幣40~100萬(wàn)元左右；
8. 適合軍品和航空航天應(yīng)用，目前在全球軍工和航空航天領(lǐng)域應(yīng)用普遍。

陶瓷封裝SiP一般采用HTCC陶瓷基板對(duì)芯片進(jìn)行互聯(lián)和承載，其外殼和基板通常為一體，結(jié)構(gòu)多采用腔體結(jié)構(gòu)，用可伐合金焊接密封，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 陶瓷封裝SiP的結(jié)構(gòu)

2.3 金屬封裝SiP

金屬封裝SiP和陶瓷封裝SiP類似，多用于工業(yè)級(jí)產(chǎn)品、軍品以及航空航天、軍工等領(lǐng)域，其氣密性好、可靠性高，散熱優(yōu)良。金屬封裝也可拆解，便于故障查找和問(wèn)題“歸零”。其特點(diǎn)主要總結(jié)如下：

1. 金屬封裝密封性好，可以做到氣密性，阻擋濕氣和腐蝕性氣體；
2. 散熱性能好，對(duì)極限溫度的抵抗性好；
3. 容易拆解，開(kāi)蓋后即可直接看到內(nèi)部裸芯片；
4. 體積較大，扇出引腳較少，不太適合復(fù)雜芯片；
5. 通常用在MCM領(lǐng)域，射頻微波，模擬SiP領(lǐng)域應(yīng)用較多；
6. 生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，一般生產(chǎn)周期4~6個(gè)月；
7. 價(jià)格較高，一次打樣需要人民幣30~80萬(wàn)元左右；
8. 適合軍品和航空航天應(yīng)用。

金屬封裝SiP一般采用LTCC、厚膜或者薄膜陶瓷基板對(duì)芯片進(jìn)行互聯(lián)和承載，其基板和外殼獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工，基板采用粘結(jié)法固定到金屬外殼上，電氣上采用Bond Wire和外部引腳連接，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 金屬封裝SiP的結(jié)構(gòu)

看了上面的描述，設(shè)計(jì)者結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況，就能確定選擇什么樣的工藝和材料來(lái)完成自己的SiP項(xiàng)目和產(chǎn)品了。

3 SiP基板選擇——有機(jī)基板

SiP基板系列文章

在SiP系統(tǒng)級(jí)封裝中，基板作為整個(gè)封裝的載體，起著支撐和電氣互聯(lián)的作用，目前，常用的基板包括有機(jī)基板、陶瓷基板、硅基板等等，我們將逐一介紹，這篇文章，我們主要來(lái)討論有機(jī)基板。

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3.1 有機(jī)基板的材料

有機(jī)基板一般是由有機(jī)樹(shù)脂和玻璃纖維布為主要材料制作而成，導(dǎo)體通常為銅箔。有機(jī)樹(shù)脂通常包括：環(huán)氧樹(shù)脂（FR4），BT樹(shù)脂（雙馬來(lái)酰亞胺三嗪樹(shù)脂），PPE樹(shù)脂（聚苯醚樹(shù)脂），PI樹(shù)脂（聚酰亞胺樹(shù)脂）等。

有機(jī)基板常用的銅箔厚度為17μm（半盎司），35μm（一盎司），70μm（兩盎司）等多種。柔性有機(jī)基板銅箔厚度比較薄，5μm、9μm、12μm等規(guī)格的銅箔在柔性板上應(yīng)用較多。銅箔厚度和載流量成正比關(guān)系，如果需要通過(guò)比較大的電流，則需要選擇較厚的銅箔和較寬的布線。

以FR4為例，介質(zhì)材料根據(jù)樹(shù)脂和玻璃纖維含量的不同，可分為106，1080、2116、7628等多種型號(hào)。一般型號(hào)數(shù)值越大，樹(shù)脂含量越少，玻璃纖維含量增大，硬度增加，介電常數(shù)也越高。例如，106樹(shù)脂含量75%，1080樹(shù)脂含量63%，2116樹(shù)脂含量53%，7628樹(shù)脂含量44%。另外，還有一種RCC(Resin Coated Copper)，樹(shù)脂含量100%。樹(shù)脂含量越多，材質(zhì)越軟，激光打孔效率高。

下圖為不同型號(hào)的介質(zhì)材料的樹(shù)脂含量、介電常數(shù)DK及損耗因子DF

通常為了兼顧各方面的性能，SiP基板會(huì)采用多種型號(hào)的基材，一般表層用樹(shù)脂含量較高的，例如RCC，106，1080，而內(nèi)層則采用硬度較大的例如2116，7628，用于增強(qiáng)支撐強(qiáng)度，詳見(jiàn)下面基板層疊結(jié)構(gòu)實(shí)例圖示。

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3.2 有機(jī)基板的特點(diǎn)

• 有機(jī)基板有其自身的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，和陶瓷基板相比，有機(jī)基板不需要燒結(jié)，加工難度較底，并且可制作大型基板，同時(shí)具有成本優(yōu)勢(shì)，另外有機(jī)基板介電常數(shù)低，有利于高速信號(hào)的傳輸。

  當(dāng)然，有機(jī)基板也有自身的劣勢(shì)，例如傳熱性能較差，傳熱系數(shù)通常只有0.2-1W/(m·K)之間，而氧化鋁陶瓷材料可以達(dá)到18W/(m·K)左右，氮化鋁更是可達(dá)到200W/(m·K)左右。

• 此外，有機(jī)基板的CTE也通常相對(duì)芯片比較大，這樣就容易在熱循環(huán)的時(shí)產(chǎn)生和IC的焊接處電氣連接失效。

• CTE（Coefficient of Thermal Expansion）是指熱膨脹系數(shù)α ，理想的封裝基材：α < 8×10-6/oC，或者為8ppm/oC，（ppm-parts per million，百萬(wàn)分之一）。

• 半導(dǎo)體芯片的主要成分是硅，而硅的膨脹系數(shù)只有2.5ppm/oC，如果半導(dǎo)體芯片與基板的熱膨脹系數(shù)相差過(guò)大，在溫度變化時(shí)，它們之間產(chǎn)生較大的應(yīng)力。因此，為了保證SiP或者封裝基板微細(xì)電路的精度，適宜用低熱膨脹系數(shù)的基板材料。

• Tg玻化溫度，是板材在高溫受熱下的玻璃化溫度，一般Tg的板材為140度以上，高Tg一般大于170度，中等Tg約大于150度。Tg值越高，板材的耐溫度性能越好 ，印制板的耐熱性、耐潮濕性、耐化學(xué)性、耐穩(wěn)定性等特征都會(huì)提高和改善。尤其在無(wú)鉛制程中，高Tg應(yīng)用比較多。目前，高耐熱性基板的Tg通常可以達(dá)到200度以上。

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3.3 有機(jī)基板層疊結(jié)構(gòu)

SiP或封裝基板通常采用盲埋孔結(jié)構(gòu)，這里我們用m+N+m代表，其中m代表Buildup層，采用積層法工藝進(jìn)行制作，通常采用激光鉆孔，每次只鉆一層，層層往上累積成多層，因而被稱為積層法，積層法英文為：Buildup。

N代表Laminate層，采用層壓法工藝進(jìn)行制作，通常采用機(jī)械鉆孔，先將多層疊加在一起壓合，然后統(tǒng)一鉆孔，層壓法英文為：Laminate。

• 下圖為2+4+2的8層基板側(cè)面示意圖：

Buildup層的盲埋孔是可以疊加的，但一般不能與Laminate層的通孔疊加，這主要是由于生產(chǎn)工藝的限制。這個(gè)兩類孔疊加容易出現(xiàn)斷路。

下面幾張圖是有機(jī)基板層疊結(jié)構(gòu)的實(shí)例（可放大查看每層所用的材料型號(hào)和銅箔的厚度）。

• 下圖為6層基板，其層疊結(jié)構(gòu)為1+4+1

• 下圖為8層基板，其層疊結(jié)構(gòu)為2+4+2

• 下圖為8層基板，其層疊結(jié)構(gòu)為1+1+4+1+1

• 下圖為10層基板，其層疊結(jié)構(gòu)為2+1+4+1+2

• 下圖為8層基板，其層疊結(jié)構(gòu)為2+4+2，機(jī)械孔又包含更復(fù)雜的多次打孔工藝

• 下圖為10層基板，其層疊結(jié)構(gòu)為3+4+3，機(jī)械孔層又包含更復(fù)雜的多次打孔工藝

3.4 有機(jī)基板的選用

有機(jī)基板主要應(yīng)用于塑封器件，由于其具有成本上的優(yōu)勢(shì)，目前是應(yīng)用最為廣泛的SiP封裝基板。

SiP或者封裝設(shè)計(jì)者在選用有機(jī)基板時(shí)，要綜合考慮成本和可靠性進(jìn)行選擇，主要考慮其熱膨脹系數(shù)，玻化溫度，吸濕性能等。從而選擇FR4（環(huán)氧樹(shù)脂），BT樹(shù)脂（雙馬來(lái)酰亞胺三嗪樹(shù)脂），PPE樹(shù)脂（聚苯醚樹(shù)脂）PI樹(shù)脂（聚酰亞胺樹(shù)脂 polyimide）等基板。

同時(shí)，需要設(shè)置合理的銅箔厚度和層疊結(jié)構(gòu)，選用不同型號(hào)的基材，控制好介電常數(shù)DK和損耗因子DF，從而使SiP或封裝的性能在成本優(yōu)化的前提下達(dá)到最優(yōu)。

4 陶封SiP為何多采用腔體結(jié)構(gòu)

SiP系統(tǒng)級(jí)封裝產(chǎn)品按工藝或材料通常分為：塑料封裝SiP、陶瓷封裝SiP和金屬封裝SiP幾種類型和各自的特點(diǎn)。

其中陶瓷封裝SiP也簡(jiǎn)稱為陶封SiP，美國(guó)航空航天局NASA，歐洲太空局ESA采用的SiP基本上均為陶瓷封裝SiP。目前，國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的航空航天和軍工領(lǐng)域的研究所都開(kāi)始研究和應(yīng)用SiP技術(shù)，他們也不約而同地選擇陶瓷封裝作為首選的SiP產(chǎn)品封裝。

陶封SiP密封性好，散熱性能好，對(duì)極限溫度的抵抗性好，容易拆解，便于問(wèn)題分析，相對(duì)于金屬封裝體積小，適合大規(guī)模復(fù)雜芯片。有了這些優(yōu)點(diǎn)，陶封SiP確實(shí)最適合在極限苛刻環(huán)境中應(yīng)用的航空航天等軍工領(lǐng)域。

在陶封SiP設(shè)計(jì)中，有一個(gè)最明顯的特征就是：陶封SiP中基本都采用了腔體結(jié)構(gòu)。

4.1 什么是腔體？

在《SiP系統(tǒng)級(jí)封裝設(shè)計(jì)與仿真》一書(shū)中，我這樣寫道：“腔體Cavity是在基板上開(kāi)的一個(gè)孔槽，通常不會(huì)穿越所有的板層（在特殊情況下的通腔稱之為Contour）。腔體可以是開(kāi)放式的，也可以是密閉在內(nèi)層空間的腔體，腔體可以是單級(jí)腔體也可以是多級(jí)腔體，所謂多級(jí)腔體就是在一個(gè)腔體的內(nèi)部再挖腔體，逐級(jí)縮小，如同城市中的下沉廣場(chǎng)一樣。”

下圖是城市中常見(jiàn)的下沉廣場(chǎng)，底部區(qū)域供人們活動(dòng)，臺(tái)階可以當(dāng)看臺(tái)或者坐下休息。

城市中常見(jiàn)的下沉廣場(chǎng)

下圖是陶封SiP中常見(jiàn)的腔體結(jié)構(gòu)，底部區(qū)域安裝芯片，多級(jí)腔體的臺(tái)階上可以放置鍵合指Bond Pad。兩者唯一的區(qū)別就是下沉廣場(chǎng)多為圓形，而陶封SiP中的腔體多為方形，當(dāng)然也不排除有些項(xiàng)目中采用了圓形腔體。

4.2 陶封SiP為何基本都會(huì)采用腔體？

搞明白了腔體的定義后，我們?cè)賮?lái)看看陶封SiP為何基本都會(huì)采用腔體？根據(jù)親自參與的多個(gè)陶封SiP實(shí)際項(xiàng)目，我總結(jié)了一下，大致有以下三種原因：

• 腔體結(jié)構(gòu)有利于鍵合線的穩(wěn)定性

對(duì)于復(fù)雜的芯片，常常要采用多層鍵合線，鍵合指的排列經(jīng)常有3-4排，這樣外層鍵合線就會(huì)很長(zhǎng)，跨度很大，不利于鍵合線的穩(wěn)定性，而腔體結(jié)構(gòu)則能有效改善這種問(wèn)題。從下面兩張圖就可以明顯地看出腔體結(jié)構(gòu)大大減小了鍵合線的長(zhǎng)度，從而有效地提高了鍵合線的穩(wěn)定性。

• 腔體結(jié)構(gòu)有利于陶瓷封裝的密封

采用腔體結(jié)構(gòu)的陶瓷基板，芯片和鍵合線均位于腔體內(nèi)部，只需要用密封蓋板將SiP封裝密封即可。如果無(wú)腔體結(jié)構(gòu)，則需要專門焊接金屬框架來(lái)抬高蓋板的位置，這樣就多了一道焊接工序，其焊縫的氣密性也需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格考核才能達(dá)到氣密性要求。

• 腔體結(jié)構(gòu)有利雙面安裝元器件

現(xiàn)在的SiP復(fù)雜程度很高，需要安裝的器件很多，在基板單面經(jīng)常無(wú)法安裝上所有器件，需要雙面安裝器件。這時(shí)候，腔體結(jié)構(gòu)也就大有用武之地，通過(guò)腔體可以將一部分器件安裝在SiP封裝的底面，在封裝底面外側(cè)設(shè)計(jì)并植上焊接球，如下圖所示。

如果沒(méi)有腔體結(jié)構(gòu)，就無(wú)法在背面安裝器件，如下圖所示：

如果將器件完全安裝在頂面，不可避免要擴(kuò)大封裝的面積，和SiP小型化的概念是背道而馳的。

最后，我們來(lái)看一款實(shí)際的陶瓷封裝SiP項(xiàng)目的Expedition設(shè)計(jì)截圖：此項(xiàng)目為國(guó)內(nèi)第一款采用雙面腔體的陶封SiP項(xiàng)目，完全在一顆SiP中實(shí)現(xiàn)了航天計(jì)算機(jī)的所有功能，并達(dá)到軍品級(jí)要求。該項(xiàng)目在世界上也處于領(lǐng)先地位，目前已經(jīng)成功應(yīng)用到多個(gè)航空、航天等重點(diǎn)工程中。

5 如何將元器件埋置在SiP基板內(nèi)

將元器件埋置在基板內(nèi)是一個(gè)非常有效地縮小SiP面積的方法，同時(shí)能有效減少基板表面的焊點(diǎn)，提高其可靠性，那如何將器件埋入到SiP基板內(nèi)呢？

通俗來(lái)說(shuō)有兩種方法：

1. 挖個(gè)坑埋進(jìn)去;
2. 壓扁了嵌進(jìn)去。

第一種方法用專業(yè)的術(shù)語(yǔ)來(lái)講就是：通過(guò)腔體技術(shù)將分立元器件埋入基板。 第二種方法用專業(yè)的術(shù)語(yǔ)來(lái)講就是：通過(guò)特殊材料制作電阻、電容等無(wú)源器件并嵌入到板層之間。

5.1 通過(guò)腔體的技術(shù)將分立元器件埋入基板

腔體主要是以開(kāi)放式腔體為主，實(shí)際上還有一種腔體稱為埋置腔體，也稱為封閉式腔體，參看下圖，這樣分立器件就可以埋入基板內(nèi)部了。

具體在設(shè)計(jì)中怎么實(shí)現(xiàn)呢？大致分為三步：

1. 在基板上繪制正常的開(kāi)放式腔體；
2. 將元器件放置到腔體中，器件自動(dòng)落入腔體；
3. 將腔體屬性更改為封閉式腔體。

設(shè)計(jì)方法看起來(lái)是不是很容易，這種技術(shù)適合所有的芯片類型，具體設(shè)計(jì)方法可參考《SiP系統(tǒng)級(jí)封裝設(shè)計(jì)與仿真》一書(shū)第12章。

5.2 通過(guò)特殊材料制作電阻、電容等無(wú)源器件并嵌入到板層之間

這種技術(shù)目前應(yīng)用也很廣泛，主要是通過(guò)阻性、容性材料制作電阻或者電容，然后在基板層壓的時(shí)候，嵌入到基板內(nèi)部層之間或者直接制作在基板表面，這種方法制作的阻容基本沒(méi)有高度，不會(huì)影響基板的厚度。

下圖是4種常見(jiàn)的電阻形狀，注意不同的阻值要選擇合適的阻性材料，才能做出大小合適的埋入式電阻。

下圖是3種常見(jiàn)的電容結(jié)構(gòu)，同樣要選擇合適的材料，才能做出結(jié)構(gòu)和大小都合適的埋入式電容。

目前在國(guó)內(nèi)，平面式埋置電阻應(yīng)用比較多，在SiP、MCM、厚膜、薄膜電路中應(yīng)用普遍，一般制作在基板的表面層，這樣方便后續(xù)的激光調(diào)整。平面式埋置電容應(yīng)用相對(duì)較少，主要是工藝比較復(fù)雜，例如印刷型電容需要至少3層材料，而夾層型更為復(fù)雜，除了多層材料外，還需要通過(guò)過(guò)孔將相鄰的層連接起來(lái)。

在設(shè)計(jì)工具方面，Mentor的工具對(duì)此功能支持的比較好，全部在菜單中即可完成電阻、電容的自動(dòng)綜合功能。

另外，采用第二種方法，需要對(duì)材料特性有比較詳細(xì)的了解，下圖列出了部分阻容材料，不同的材料有不同的特性，只有選擇了合適的材料，才能做出最優(yōu)的埋置電阻或電容。具體設(shè)計(jì)方法可參考《SiP系統(tǒng)級(jí)封裝設(shè)計(jì)與仿真》一書(shū)第15章。

6 芯片堆疊技術(shù)在SiP中的應(yīng)用

芯片堆疊技術(shù)在SiP中應(yīng)用的非常普遍，通過(guò)芯片堆疊可以有效降低SiP基板的面積，縮小封裝體積。

目前來(lái)看，芯片堆疊的主要形式有四種：金字塔型堆疊，懸臂型堆疊，并排型堆疊，硅通孔TSV型堆疊。

為什么芯片可以進(jìn)行堆疊呢？這里面我們講的主要是未經(jīng)過(guò)封裝的裸芯片。曾經(jīng)有用戶問(wèn)我，封裝好的芯片可不可以進(jìn)行堆疊呢？一般來(lái)說(shuō)是不可以的，因?yàn)榉庋b好的芯片引腳在下表面直接焊接到基板上，而裸芯片的引腳一般在芯片上表面，通過(guò)鍵合的方式連接到基板。正是由于裸芯片引腳在上方，和基板的連接方式比較靈活，才有了芯片堆疊的可行性，參看下圖。

6.1 金字塔型堆疊

金字塔型堆疊是指裸芯片按照至下向上從大到小的方式進(jìn)行堆疊，形狀像金字塔一樣，故名金字塔型堆疊，這種堆疊對(duì)層數(shù)沒(méi)有明確的限制，需要注意的是堆疊的高度會(huì)受封裝體的厚度限制，以及要考慮到堆疊中芯片的散熱問(wèn)題。金字塔型堆疊參看下圖。

6.2 懸臂型堆疊

懸臂型堆疊是指裸芯片大小相等，甚至上面的芯片更大的堆疊方式，通常需要在芯片之間插入介質(zhì)，用于墊高上層芯片，便于下層的鍵合線出線。這種堆疊對(duì)層數(shù)也沒(méi)有明確的限制，同樣需要注意的是堆疊的高度會(huì)受封裝體的厚度限制，以及要考慮到堆疊中芯片的散熱問(wèn)題。懸臂型堆疊參看下圖。

6.3 并排型堆疊

并排堆疊是指在一顆大的裸芯片上方堆疊多個(gè)小的裸芯片，因?yàn)樯戏叫〉穆阈酒瑑?nèi)側(cè)無(wú)法直接鍵合到SiP封裝基板，所以通常在大的裸芯片上方插入一塊硅轉(zhuǎn)接板，小的裸芯片并排堆疊在硅轉(zhuǎn)接板上，通過(guò)鍵合線連接到硅轉(zhuǎn)接板，硅轉(zhuǎn)接板上會(huì)進(jìn)行布線，打孔，將信號(hào)連接到硅轉(zhuǎn)接板邊沿，然后再通過(guò)鍵合線連接到SiP封裝基板。并排型堆疊參看下圖。

6.4 硅通孔TSV型堆疊

硅通孔TSV型堆疊一般是指將相同的芯片通過(guò)硅通孔TSV進(jìn)行電氣連接，這種技術(shù)對(duì)工藝要求較高，需要對(duì)芯片內(nèi)部的電路和結(jié)構(gòu)有充分的了解，因?yàn)楫吘挂谛酒洗蚩祝徊恍⌒木蜁?huì)損壞內(nèi)部電路。這種堆疊方式在存儲(chǔ)領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，通過(guò)同類存儲(chǔ)芯片的堆疊提高存儲(chǔ)容量。目前也有將不同類芯片通過(guò)TSV連接，這類芯片需要專門設(shè)計(jì)才可以進(jìn)行堆疊。TSV型堆疊參看下圖。

上面介紹的是SiP設(shè)計(jì)中四種最基本的芯片堆疊方式。

在實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候，這幾種堆疊方式可以組合起來(lái)形成更為復(fù)雜的堆疊。另外，還有通過(guò)將鍵合芯片和倒裝焊芯片進(jìn)行堆疊，通過(guò)柔性電路折疊的方式對(duì)芯片進(jìn)行堆疊，以及通過(guò)POP形式的堆疊等幾種，這些芯片堆疊方式在SiP設(shè)計(jì)中也比較常見(jiàn)。

7 SiP設(shè)計(jì)仿真流程

SiP設(shè)計(jì)與仿真流程的主要內(nèi)容如下圖所示：

• 設(shè)計(jì)準(zhǔn)備

設(shè)計(jì)準(zhǔn)備的工作主要包括：① 各種資料的收集，裸芯片相關(guān)資料，管腳定義，物理尺寸，能否采購(gòu)獲取等。②封裝類型的確定，是采用BGA封裝還是其他封裝形式；封裝尺寸的確定；封裝管腳間距、管腳數(shù)目的確定。③采用自定義管腳排列方式還是采用標(biāo)準(zhǔn)的封裝，或者和別人曾經(jīng)用過(guò)的封裝管腳兼容，以便于后期的組裝和測(cè)試。④封裝工藝和材料的選擇，根據(jù)其應(yīng)用的領(lǐng)域選擇塑封、陶瓷封裝或者金屬封裝。

• 建庫(kù)及庫(kù)管理

建庫(kù)及庫(kù)管理主要包括原理圖符號(hào)庫(kù)、IC裸芯片庫(kù)、BGA封裝庫(kù)、Part庫(kù)以及仿真模型庫(kù)等。

• 原理圖設(shè)計(jì)

原理圖設(shè)計(jì)包括原理圖輸入，射頻原理圖設(shè)計(jì)以及原理圖協(xié)同設(shè)計(jì)等。

• 設(shè)計(jì)前仿真

設(shè)計(jì)前仿真可和原理圖設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，通過(guò)“What if”分析，確定設(shè)計(jì)層疊結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、阻抗匹配，以及電源平面的分割、電容種類及型號(hào)選擇等。對(duì)模擬電路或者數(shù)模混合電路，可進(jìn)行電路的功能仿真。

• 工藝選擇

工藝選擇主要是為了確定SiP采用哪種工藝的封裝形式，如Wire Bonding、FlipChip、TAB、TSV等。基板上是否要挖腔體，采用單面腔體還是基板頂層/底層雙面腔體，以及腔體的深度等，同時(shí)也要考慮是否要做芯片堆疊Stacked Dies，基板的層數(shù)和需要采用的層疊結(jié)構(gòu)等通常在這一步也要定下來(lái)。

• 進(jìn)入版圖設(shè)計(jì)環(huán)境

通過(guò)打包Package功能，以及前向標(biāo)注等手段將原理圖的連接關(guān)系、規(guī)則定義等傳輸?shù)桨鎴D環(huán)境，同時(shí)自動(dòng)調(diào)用中心庫(kù)的相關(guān) Cell放到版圖設(shè)計(jì)環(huán)境中。

• 層疊設(shè)置

根據(jù)工藝的選擇及設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度進(jìn)行層疊結(jié)構(gòu)的設(shè)置，包括層數(shù)以及層疊結(jié)構(gòu)的選擇，是采用1+N+1、2+N+2、m+N+m或者ALIVH等層疊結(jié)構(gòu)。

• 約束規(guī)則設(shè)置

主要包括網(wǎng)絡(luò)分類，結(jié)構(gòu)約束規(guī)則、間距約束規(guī)則、電氣約束規(guī)則，高速網(wǎng)絡(luò)約束、差分對(duì)約束等。

• 器件布局

主要確定裸芯片的擺放位置。如果芯片需要放置到腔體里，則需要確定腔體的深度以及是單級(jí)還是多級(jí)腔體，腔體形狀的繪制等。

• 引線鍵合、布線和敷銅

主要確定鍵合線的鍵合方式，是單層鍵合線還是多層鍵合線，鍵合線的模型選擇，電源環(huán)的設(shè)置；選擇交互式手工布線或自動(dòng)布線，電源平面層分割，射頻電路設(shè)計(jì)，埋阻埋容的自動(dòng)綜合等。這一步工作量比較大。

• 版圖設(shè)計(jì)檢查

通過(guò)檢查可發(fā)現(xiàn)版圖設(shè)計(jì)中的DRC錯(cuò)誤并進(jìn)行修正，確保設(shè)計(jì)功能的正確性。

• 設(shè)計(jì)后仿真

設(shè)計(jì)后仿真可通過(guò)專用接口導(dǎo)出到仿真工具，進(jìn)行信號(hào)完整性、電源完整性及電磁兼容方面的仿真和分析。

• 設(shè)計(jì)熱分析

可通過(guò)專用接口導(dǎo)入熱分析工具。通過(guò)熱分析，可解決SiP工作中由于芯片功耗過(guò)大而發(fā)生的過(guò)熱問(wèn)題，確保產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。

• 后處理及生產(chǎn)文件

包括Gerber及鉆孔文件的生成，BOM、DXF、IDF、GDSII、ODB++等格式的輸出。

• 電子結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)

電子結(jié)構(gòu)一體化主要包括電子和結(jié)構(gòu)的協(xié)同。因?yàn)?a target="_blank">EDA工具主要完成的是SiP內(nèi)部的東西，包括基板和芯片組裝、鍵合等。而SiP的外殼等數(shù)據(jù)通常需要通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件來(lái)確定，如陶瓷封裝的金屬框架、蓋板、塑封的模封，金屬封裝的外殼等。

• 設(shè)計(jì)結(jié)束

所有上面的流程走完之后，SiP設(shè)計(jì)結(jié)束，即可進(jìn)入生產(chǎn)階段。

目前，在國(guó)內(nèi)，越來(lái)越多的電子設(shè)計(jì)工程師開(kāi)始關(guān)注和學(xué)習(xí)SiP的技術(shù)，但由于目前關(guān)于SiP設(shè)計(jì)和仿真方面的綜合書(shū)籍很缺乏，設(shè)計(jì)者往往無(wú)從下手，這在一定程度上也阻礙了SiP技術(shù)在國(guó)內(nèi)的快速發(fā)展。Mentor Xpedition是一款專業(yè)的SiP設(shè)計(jì)工具，包括原理圖設(shè)計(jì)、版圖布線設(shè)計(jì)、電學(xué)分析及熱分析等模塊，可以實(shí)現(xiàn)芯片堆疊、基板堆疊、復(fù)雜腔體結(jié)設(shè)計(jì)，是一款真正意義上的3D設(shè)計(jì)工具。

8 SiP 生產(chǎn)流程

SiP的封裝形式多樣，按照材料和工藝通常分為塑料封裝、陶瓷封裝和金屬封裝三大類，每類都會(huì)有多種類型的封裝形式，例如，DIP、SOP、PLCC、QFP、QFN、BGA 等。

當(dāng)前，隨著引腳數(shù)量和密度的增加，BGA成為SiP最常采用的封裝形式。

下面，我們就以BGA塑料封裝的SiP生產(chǎn)流程作為介紹，基本上就可以代表SiP封裝的基本生產(chǎn)流程，其它封裝形式流程大同小異。當(dāng)然，對(duì)于陶瓷封裝和金屬封裝，其工藝流程還是有所區(qū)別，我們可以后續(xù)再討論。

按照裸芯片和基板的連接方式，我們將BGA分為Wire Bonding BGA和FlipChip BGA。

下圖是Wire Bonding BGA（簡(jiǎn)稱WB-BGA）的生產(chǎn)制造流程示意圖。

Wire Bonding -BGA的流程包括：晶圓減薄→晶圓切割→芯片粘結(jié)→引線鍵合→模塑封裝→BGA基板植球→基板回流焊→表面打標(biāo)→切割分離→最終檢查→測(cè)試包裝。

Wire Bonding -BGA封裝前，晶圓首先會(huì)做減薄處理，這樣也更便于晶圓切割，同時(shí)也會(huì)減小封裝后的厚度。芯片粘結(jié)是采用環(huán)氧粘結(jié)劑將IC芯片粘結(jié)在基板上。引線鍵合是采用純金絲鍵合線將芯片管腳與基板上的Pad進(jìn)行連接，接著采用模塑包封或液態(tài)膠灌封，以保護(hù)芯片、焊接線和焊盤。BGA基板植球是使用植球機(jī)或者篩網(wǎng)將焊料球放置在焊盤上，然后在回流焊爐內(nèi)進(jìn)行回流焊接，然后使用清洗劑對(duì)基板進(jìn)行清洗，以去除殘留在封裝體上的焊料和纖維顆粒。然后是表面打標(biāo)、切割分離，最終檢查、測(cè)試和包裝入庫(kù)。

了解完Wire Bonding BGA的生產(chǎn)流程，我們?cè)賮?lái)看看FilpChip-BGA。

下圖是FilpChip-BGA（簡(jiǎn)稱FC-BGA）的生產(chǎn)制造流程示意圖。

FilpChip-BGA的流程包括：晶圓減薄→晶圓凸點(diǎn)生成→晶圓切割→芯片倒裝→回流焊接→裸芯片下部填膠→表面打標(biāo)→BGA基板植球→基板回流焊→切割分離→最終檢查→測(cè)試包裝。

FilpChip-BGA封裝前，晶圓同樣會(huì)做減薄處理，然后在晶圓上制作凸點(diǎn)Bump。之后進(jìn)行晶圓切割，再將芯片倒裝焊接到基板上。焊接好后進(jìn)行清洗，芯片底部填膠等操作，以固定芯片并克服由于芯片和基板CET不一致而導(dǎo)致的應(yīng)力。BGA基板植球、回流焊接、清洗、打標(biāo)、切割、測(cè)試、包裝等流程與Wire Bonding-BGA基本一致。

通過(guò)兩種工藝的對(duì)比，可以看出，兩者的基本的流程是一致的，主要區(qū)別在于FlipChip倒裝焊在切割晶圓片之前要生成芯片的凸點(diǎn)，然后進(jìn)行芯片倒裝、回流焊接等一系列流程。

FlipChip整個(gè)工藝流程需要兩次回流焊，包括芯片回流焊和BGA基板回流焊。而Wire Bonding則需要芯片粘結(jié)、鍵合、模封等過(guò)程，整個(gè)工藝流程只需要一次回流焊。

對(duì)于SiP系統(tǒng)級(jí)封裝，由于是多個(gè)芯片，就有可能會(huì)遇到混合工藝的情況，即在一顆SiP封裝中既有WB芯片，也有FC芯片。目前，在實(shí)際應(yīng)用中這種情況已經(jīng)比較常見(jiàn)，在設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)遇到，如所選的裸芯片中有支持WB工藝的芯片，也有支持FC工藝的芯片，就需要做混合工藝SiP的生產(chǎn)制造。

下圖為混合工藝SiP 生產(chǎn)制造流程圖。