SOP在電子技術(shù)中的應(yīng)用

SOP是一種新興的系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)。該技術(shù)強(qiáng)調(diào)了封裝的不是板而是系統(tǒng)。多芯片模塊、系統(tǒng)級(jí)芯片、系統(tǒng)封裝SIP和傳統(tǒng)系統(tǒng)封裝在計(jì)算和集成上的限制在SOP上得到了很好的解決。文章簡(jiǎn)述了SOP在電子技術(shù)中的應(yīng)用、面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展前景。

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，市場(chǎng)上各種電子產(chǎn)品往小型化甚至微型化發(fā)展，集成電路的集成度越來(lái)越高、功耗越來(lái)越低、體積越來(lái)越小、單位體積內(nèi)的容量越來(lái)越大。這種現(xiàn)狀要求半導(dǎo)體芯片能集成更多不同類型的元器件，要集成更多不同類型的元器件就必須在封裝的技術(shù)上有很大的突破。

在半導(dǎo)體電子元件的發(fā)展中，起著不可替代的組成部分就是半導(dǎo)體元器件的封裝技術(shù)。封裝技術(shù)的好壞直接影響到半導(dǎo)體元器件的產(chǎn)品性能、封裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、成品的頻率、耗散、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸约吧a(chǎn)成本等等。每個(gè)階段的封裝技術(shù)的優(yōu)良與否和當(dāng)時(shí)的IC技術(shù)是同步發(fā)展的。封裝技術(shù)從20世紀(jì)70年代發(fā)展到21世紀(jì)初，已經(jīng)有了極大的提高。封裝技術(shù)的快速進(jìn)步直接影響IC的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。經(jīng)過這么多年的發(fā)展，封裝的效率已經(jīng)從開始的2%（DIP）、5%（QFP）發(fā)展到現(xiàn)在的80%（SOP）。

今天的電子技術(shù)發(fā)展的非常快，以目前的封裝技術(shù)還是不能滿足電子產(chǎn)品往微型化發(fā)展的目標(biāo)。目前，SOP封裝技術(shù)可以在一定范圍內(nèi)滿足電子產(chǎn)品發(fā)展的需求。相信這種封裝技術(shù)將會(huì)發(fā)展為一種成熟的、普及的封裝技術(shù)。

發(fā)展中的封裝技術(shù)

技術(shù)使生活更加美好，隨著人們生活水平的不斷提高，電子產(chǎn)品已經(jīng)成為生活中不可或缺的工具。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展以及這些技術(shù)與生活的不斷結(jié)合，從而促使技術(shù)的發(fā)展速度。模擬電子、數(shù)字電子、信號(hào)處理器、存儲(chǔ)器以及各種不同規(guī)模的集成電路都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。人們通過這些技術(shù)設(shè)計(jì)出的電子系統(tǒng)同樣也具有多種多樣的特性：

頻率混合特性：高速數(shù)字組件到幾百GHz 的微波/射頻組件；

技術(shù)混合特性：數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)、射頻技術(shù)以及嵌入技術(shù)相結(jié)合；

信號(hào)混合特性：高速電子信號(hào)和低噪聲放大反饋電路相結(jié)合；

結(jié)構(gòu)混合特性：規(guī)則結(jié)構(gòu)封裝和無(wú)規(guī)則結(jié)構(gòu)封裝相結(jié)合；

設(shè)計(jì)混合特性：功能電子設(shè)計(jì)和基于物理散熱設(shè)計(jì)的相結(jié)合。

系統(tǒng)級(jí)芯片介紹

SOC 的特點(diǎn)是：是在單個(gè)芯片上集成的一套完整系統(tǒng)。該系統(tǒng)級(jí)芯片的功能是在這塊芯片上完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存取等一系列功能。這種集成技術(shù)作為集成電路技術(shù)研發(fā)史上的一個(gè)巨大突破而得到追捧。將系統(tǒng)級(jí)芯片和單一功能芯片做對(duì)比，其優(yōu)點(diǎn)將得到以下結(jié)論：

電子功能有所提高：?jiǎn)我恍酒墓δ苁俏ㄒ坏?，而系統(tǒng)級(jí)芯片將各種單一芯片的功能（鎖相環(huán)功能、震蕩功能、調(diào)制解調(diào)功能、變相功能以及直流斬波功能等等）集成到一塊芯片上；

提高了芯片的性能指標(biāo)：系統(tǒng)級(jí)芯片的性能比單一功能芯片的性能更加穩(wěn)定，是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)的時(shí)候就已經(jīng)從整個(gè)系統(tǒng)來(lái)考慮問題了。

多芯片模塊介紹

所謂多芯片模塊（MCM），是將各種不同功能的組件進(jìn)行互聯(lián)。通常的做法是在基板上對(duì)多只KGD封裝進(jìn)行多層連接，之后將一些功能器件連接到上面多功能芯片組。在設(shè)計(jì)之初，為了將裸芯片做成陶瓷封裝才研發(fā)了MCM，因?yàn)樵谥暗募夹g(shù)上無(wú)法再硅晶片上批量生產(chǎn)芯片。

通常我們使用專門的材料給芯片的機(jī)械架構(gòu)提供支撐，同時(shí)在工藝中使用裸線將高性能集成電路與MCM 進(jìn)行多層之間的連接。MCM 的優(yōu)點(diǎn)是：體積小、性能高、具有很好的兼容性以及可以提供非?？煽康臄?shù)據(jù)空間。按基板裝配的不同可以將MCM分為四類：共燒型、疊層型、淀積型和混合型。

系統(tǒng)封裝SIP

還有一種先進(jìn)的封裝技術(shù)是SIP，該封裝的特點(diǎn)是：將芯片進(jìn)行堆疊，從而降低它的形成因子。這種封裝可以將多種集成電路甚至多種分立元件集中到一個(gè)組件上。與其他封裝比較，SIP 封裝技術(shù)具有的優(yōu)點(diǎn)是：

可以在一個(gè)較小的封裝內(nèi)集成多種功能不同的裸片，這樣就避免了封裝冗余；其次，封裝在一個(gè)外殼下可以使集成電路之間的間距減小，方便了互連；最后，采用堆疊封裝技術(shù)，可以提高封裝密度，節(jié)省材料，減少成本。

系統(tǒng)級(jí)封裝SOP

根據(jù)系統(tǒng)集成的莫爾理論，SOP是一種比MCM封裝技術(shù)和SIP封裝技術(shù)更加先進(jìn)的封裝技術(shù)。這種封裝技術(shù)強(qiáng)調(diào)的是系統(tǒng)集成而不僅僅是板的集成。相比于SIP封裝、SOC封裝、MCM封裝而言，SOP封裝將之前僅局限于CMOS處理的缺點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化和改良，克服了以上幾種封裝技術(shù)的局限性和缺點(diǎn)。更由于其低成本、高性能、微尺寸等優(yōu)點(diǎn)而成為了集成電路的最佳技術(shù)。

圖1 SOP、SOC、SIP、MCM和3D封裝對(duì)比

圖2 SOP薄膜3D組件集成示意圖

SOP封裝技術(shù)概述及發(fā)展前景

SOP封裝技術(shù)是一種新型微小系統(tǒng)集成技術(shù)。早在1994年美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金就對(duì)國(guó)內(nèi)的研究學(xué)者進(jìn)行資助，讓這些學(xué)者研究SOP封裝技術(shù)。研究者們起初將射頻芯片、光學(xué)組件用薄膜進(jìn)行封裝，并取得了很好的成果。如今的SOP研究基本上都是基于以前的研究成果。

SOP的發(fā)展歷史

SOP封裝技術(shù)的特點(diǎn)是一種系統(tǒng)聚合。例如：音頻聚合就是把計(jì)算機(jī)技術(shù)、電信技術(shù)和多媒體技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)聚合。這種系統(tǒng)聚合的技術(shù)有非常廣闊的應(yīng)用前景，我們所看到的視頻蜂窩電話就是系統(tǒng)聚合的應(yīng)用實(shí)例。SOP封裝技術(shù)要求對(duì)IC的封裝進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以達(dá)最好的芯片封裝集成效果。人們追求的多功能、微型化、跌成本的目標(biāo)都是一切封裝技術(shù)所追求的目標(biāo)。如圖1所示，SOC 在IC集成領(lǐng)域是最佳的方案，SIP在芯片的堆疊領(lǐng)域是最佳的解決方案，MCM和3D封裝在封裝集成領(lǐng)域是最佳的解決方案，而SOP封裝技術(shù)在系統(tǒng)集成領(lǐng)域是別的封裝技術(shù)無(wú)法替代的。

SOP之所以比MCM封裝技術(shù)更加先進(jìn)和實(shí)用，是因?yàn)镾OP 封裝技術(shù)采用了先進(jìn)的工藝和新型的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法。在整體解決方案中，對(duì)封裝基板和芯片進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?duì)照，依據(jù)性能最優(yōu)、成本最低的設(shè)計(jì)方法來(lái)實(shí)施。所以，在系統(tǒng)級(jí)封裝領(lǐng)域內(nèi)是最好的解決方案。

SOC之所以不能和SOP一爭(zhēng)高下，是因?yàn)镾OC存在很多技術(shù)上的壁壘。比如：規(guī)格結(jié)構(gòu)的難以統(tǒng)一、數(shù)字模擬量的難以集成等因素都是其致命的弱點(diǎn)。而這些技術(shù)上存在的問題在SOP這里卻得到了很好的解決。

在嵌入組件這方面，SIP 雖然可以實(shí)現(xiàn)。但由于在sip中嵌入的組件體積大和離散性使得人們難以接受。SOP不僅能嵌入有源和無(wú)源組件，而且可以減小封裝體積增大組件密度。這一優(yōu)點(diǎn)使得SOP技術(shù)優(yōu)先于SIP技術(shù)。

SOP 面臨的挑戰(zhàn)

SOP 是一種系統(tǒng)級(jí)集成，是由薄膜組件集成的微小型系統(tǒng)。SOP 封裝技術(shù)的特點(diǎn)是：設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、功能集成度高、電特性好等。如下圖2所示。SOP 是將單一功能的芯片進(jìn)行功能化集成，優(yōu)化單一芯片的功能。集成規(guī)格由微米級(jí)向納米級(jí)靠近。SOP和傳統(tǒng)的封裝技術(shù)相比具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是也存在著一些挑戰(zhàn)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在的挑戰(zhàn)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，射頻前端、模擬電子、數(shù)字電子等芯片的集成度會(huì)越來(lái)越高。在這種高密度集成系統(tǒng)中，需要注意的問題就是電磁兼容和電磁干擾所帶來(lái)的影響。在單純的高速數(shù)字系統(tǒng)中，若要保證信號(hào)的完整性則具有很高的挑戰(zhàn)性。通常在設(shè)計(jì)工具上我們應(yīng)當(dāng)遵循以下規(guī)則：使用不同的CAD工具和方法分別對(duì)芯片的設(shè)計(jì)及封裝進(jìn)行設(shè)計(jì)，在高速信號(hào)系統(tǒng)中，IO的特性將對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

（2）技術(shù)上存在的挑戰(zhàn)

低寄生和精密互連：為了保證互連的帶寬，我們要注意寄生電容和寄生電感所帶來(lái)的影響。

功率消耗和熱可靠性：封裝尺寸的微小化，直接導(dǎo)致集成密度的上升。如何保證功耗的水平和溫度的控制是一個(gè)技術(shù)性的挑戰(zhàn)。

基板的高密度互連：當(dāng)把不同的單一功能的芯片集成到SOP上時(shí)，縮小了系統(tǒng)的尺寸和基板的尺寸，要考慮互連基板的密度。

SOP的發(fā)展展望

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，市場(chǎng)上各種電子產(chǎn)品往小型化甚至微型化發(fā)展，集成電路的集成度越來(lái)越高、功耗越來(lái)越低、體積越來(lái)越小、單位體積內(nèi)的容量越來(lái)越大。這種現(xiàn)狀要求半導(dǎo)體芯片能集成更多不同類型的元器件，要集成更多不同類型的元器件就必須在封裝的技術(shù)上有很大的突破。而SOP封裝技術(shù)所具有的特點(diǎn)是其他封裝技術(shù)所不能比擬的，在未來(lái)的封裝技術(shù)中，SOP將成為一種具有代表性的封裝技術(shù)。

結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代生活季度依賴于電子科技技術(shù)。隨著人們生活水平的提高，對(duì)電子產(chǎn)品的要求也會(huì)越來(lái)越高。小體積、多功能、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)等等性能都是對(duì)電子產(chǎn)品的考驗(yàn)。對(duì)于這些要求將直接影響封裝技術(shù)的發(fā)展。SOP作為系統(tǒng)級(jí)集成，它不是板級(jí)集成，也不是單一的芯片集成，是在很小的薄膜封裝內(nèi)集成了一個(gè)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)將滿足小體積、多功能、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)等一系列要求。因此我們可以預(yù)測(cè)，SOP封裝技術(shù)將在封裝領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.19.009