吴德新的研究项目

本文介绍了集成电路系统级封装(SIP)的发展和趋势，对从事这一领域的读者具有指导意义。由于集成电路设计水平和工艺技术的提高，集成电路的规模越来越大，整个系统可以集成在一块芯片上(一块芯片上可以集成108个晶体管)。这使得将由具有多种软件和硬件功能的电路组成的系统(或子系统)集成到单个芯片上成为可能。20世纪90年代末，集成电路已经进入片上系统(SOC)时代。20世纪80年代，专用集成电路使用标准逻辑门作为基本单元，由加工线免费提供给设计者，以缩短设计周期。90年代后期进入片上系统时代，一个芯片包括CPU、DSP、逻辑电路、模拟电路、射频电路、存储器等电路模块和嵌入式软件，相互连接形成一个完整的系统。由于系统设计越来越复杂，设计界有工厂专门开发具有上述功能的各种集成电路模块(称为IP核)，并通过授权将这些模块提供给其他系统设计者有偿使用。设计师会以IP核为基本单位进行设计。IP核的重用不仅缩短了系统设计周期，而且提高了系统设计的成功率。研究表明，与IC构成的系统相比，SOC设计可以综合考虑整个系统的各种情况，在相同的工艺条件下可以达到更高的系统指标。21世纪将是SOC技术真正快速发展的时期。近年来，由于整机的便携化发展和系统小型化的趋势，要求在芯片上集成更多不同类型的元器件，如Si-CMOSIC、GaAs-RFIC、各种无源元件、光电器件、天线、连接器、传感器等。单一材料和标准工艺的SOC是有限的。芯片，也可以包括将上述不同类型的器件和电路芯片堆叠在一起，以构建更复杂和完整的系统。与SOC相比，SiP具有以下特点

(1)可以提供更多的新功能；

(2)各种工艺兼容性好；

(3)灵活性和适应性强；

(4)成本低；

(5)易于分块测试；

(6)开发周期短。SOC和SiP是相辅相成的。一般认为SOC主要用于更新换代慢的产品和军事装备要求高性能的产品，而SiP主要用于更新换代周期短的消费类产品，比如手机。SiP在合格率和计算机辅助设计方面还需要进一步提高。由于SiP的复杂性，在设计和技术方面提出了更高的要求。在设计方面，需要系统工程师、电路设计、版图设计、硅工艺设计、测试、制造等工程师团队通力合作，实现最佳性能、最小尺寸、最低成本。首先，通过计算机辅助仿真设计IC芯片、电源和无源元件的参数和版图。在高密度布线的设计中应考虑消除振荡、过冲、串扰和辐射。散热和可靠性考虑:基板材料的选择(包括介电常数、损耗、互连阻抗等。);制定线宽、间距、通孔等设计规则；最后，设计了主板的版图。

SiP采用了迅速发展的倒装芯片互连技术。与引线键合相比，倒装芯片互连具有DC电压更低、互连密度更高、寄生电感更小、热性能和电性能更好等优点，但成本较高。SiP的另一个优点是可以集成各种无源元件。集成电路中无源元件的使用日益增加。比如手机中无源元件和有源元件的比例大约是50: 1。采用了已开发的低温* * *烧多层陶瓷(LTCC)和低温* * *烧铁氧体(LTCF)技术，即将电阻、电容、电感、滤波器、谐振器等无源元件集成在多层陶瓷中，就像有源器件集成在硅片中一样。此外，为了提高封装中管芯的面积比，使用两个以上堆叠的芯片结构在Z方向上进行三维集成。叠层芯片之间超薄柔性绝缘层背板的开发，背板上的铜布线、互连孔和金属化都得到了发展。SiP因其快速进入市场、更小、更薄、更轻和更多功能的竞争力而在工业中得到广泛应用。其主要应用领域为射频/无线应用、移动通信、网络设备、计算机及外设、数码产品、图像、生物和MEMS传感器等。到2010，预计SiP的布线密度、热密度、元器件密度、I/O密度分别达到6000cm/cm2、100W/cm2、5000/cm2、3000/cm2。系统级封装设计也朝着计算机辅助自动化方向发展，如SOC的自动布局和布线。英特尔最先进的SiP技术，将五个堆叠的闪存芯片集成到一个1.0mm的超薄封装中，日本东芝的SiP目标是将手机的所有功能集成到一个封装中。日本预测，如果全球1/5的LSI系统采用SiP技术，SiP的市场将达到1.2万亿日元。由于其快速进入市场的优势，SiP将在未来几年内以更快的速度发展。我国在加快发展集成电路设计和芯片制造的同时，应加大系统级封装的研发。