SIP立體封裝技術在嵌入式計算機系統中的應用

作者：黃小虎，葉振榮，顏軍時間：2012-11-20 來源：電子產品世界

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　　1 概述

本文引用地址：http://www.j9360.com/article/139100.htm

　　目前大部分集成電路均采用平面封裝形式，即在同一個平面內集成單個芯片的封裝技術。由于受到面積的限制難以在同一平面上集成多個芯片。所謂立體封裝是一項近幾年來新興的一種集成電路封裝技術，突破了傳統的平面封裝的概念;它是在三維立體空間內實現單個封裝體內堆疊多個芯片(已封裝芯片或裸片)的封裝技術(如圖1所示)。近些年來隨著微電子技術、計算機技術的迅猛發展，嵌入式計算機系統在各類系統級電子產品中得以廣泛應用。各類移動設備、手持設備、民用電子產品的操作和控制越來越依賴于嵌入式計算機系統，而且要求系統不僅具有較高的性能，而且還要具有占用空間小、低功耗等特點。這就給嵌入式計算機系統提出了更高的要求。SIP立體封裝芯片由于其集成度高，占用空間小，功耗低等特點，在未來的電子設備中將得到越來越廣泛的應用。

　　圖1 立體封裝示意圖

　　2 立體封裝芯片的主要特點

　　(1) 集成密度高，可實現存儲容量的倍增，組裝效率可達200%以上;它使單個封裝體內可以堆疊多個芯片，可以實現存儲容量的倍增，比如對SRAM、SDRAM、FLASH、EEPROM進行堆疊，可以使存儲容量提高8～10倍;

　　(2) 單體內可實現不同類型的芯片堆疊，從而形成具有不同功能的高性能系統級芯片，比如將CPU、SRAM、FLASH等芯片經立體封裝后，形成一個小型計算機機系統，從而形成系統芯片(SIP)封裝新思路;

　　(3) 芯片間的互連線路顯著縮短，信號傳輸得更快且所受干擾更小;提高了芯片的性能，并降低了功耗;

　　(4) 大幅度的節省PCB占用面積，可以使產品體積大幅度縮小;

　　(5) 該技術可以對基于晶圓級立體封裝的芯片進行再一次立體封裝，其組裝效率可隨著被封裝芯片的密度增長而增長，因此是一項極具發展潛力而且似乎不會過時的技術。

　　3 立體封裝芯片技術發展狀況

　　隨著IC器件尺寸不斷縮小和運算速度的不斷提高，封裝技術已成為極為關鍵的技術。封裝形式的優劣已影響到IC器件的頻率、功耗、復雜性、可靠性和單位成本。集成電路封裝的發展，一直是伴隨著封裝芯片的功能和元件數的增加而呈遞進式發展。封裝技術已經經歷了多次變遷，從DIP、SOP、QFP、MLF、MCM、BGA到CSP、SIP，技術指標越來越先進。封裝技術的發展已從連接、組裝等一般性生產技術逐步演變為實現高度多樣化電子信息設備的一個關鍵技術。目前封裝的熱點技術為高功率發光器件封裝技術、低成本高效率圖像芯片封裝技術、芯片凸點和倒裝技術、高可靠低成本封裝技術、BGA基板封裝技術、MCM多芯片組件封裝技術、四邊無引腳封裝技術、CSP封裝技術、SIP封裝技術等。

　　立體封裝被業界普遍看好，立體封裝的代表產品是系統級封裝(SIP)。SIP實際上就是一系統級的多芯片封裝，它是將多個芯片和可能的無源元件集成在同一封裝內，形成具有系統功能的模塊，因而可以實現較高的性能密度、更高的集成度、更低的成本和更大的靈活性。立體封裝技術是目前封裝業的熱點和發展趨勢。

　　控制系統的設計人員所面臨的挑戰是如何能實現高性能、高可靠、小型化，希望所采用的新一代器件能比前一代產品的尺寸更小、同時擁有更多、更強的功能。半導體業界正在這一領域努力，希望在進一步提高器件功能的同時，獲得更小尺寸的器件封裝結構，同時又能維持、甚至降低器件的整體成本。實踐證明，三維集成的成本要比對芯片進行持續縮小的工程成本要低，因此，立體封裝是實現設備小型化的理想技術途徑，這是驅動立體封裝技術發展的主要因素。

　　立體封裝主要有三種類型，即埋置型立體封裝、有源基板型立體封裝、和疊層型立體封裝。當前，實現這三類立體封裝主要有三種途徑：一種是在各類基板內或多層布線介質層中“埋置”R、C 或IC 等元器件，最上層再貼裝SMC 和SMD 來實現立體封裝，這種結構稱為埋置型立體封裝;第二種是在硅圓片規模集成(WSI)后的有源基板上再實行多層布線，最上層再貼裝SMC 和SMD，從而構成立體封裝，這種結構稱為有源基板型立體封裝;第三種是在平面封裝的基礎上，把多個裸芯片、封裝芯片、多芯片組件甚至圓片進行疊層互連，構成立體封裝，這種結構稱作疊層型立體封裝。目前只有第三種方式進入了實用階段，而且掌握第三種立體封裝技術的公司很有限，國外主要是法國3D PLUS公司、美國VCI公司，國內僅有江蘇長電公司和珠海歐比特公司。

　　立體封裝技術其核心是要在有限的空間內合理解決芯片之間的互連問題，目前疊層型立體封裝的主要互連技術有以下三種方式：

　　(1) 在采用晶圓(裸片)堆疊放置的封裝方式時，目前所用的互連技術是在焊區間使用引線鍵合的方法。隨著芯片尺寸的縮小，引線鍵合方法受到了空間的限制，這主要是由于鍵合引線數量和密度，或是重疊式芯片制造而引起的。而鍵合引線的密度也會導致傳輸上的干擾和電子寄生。

　　(2) 作為引線鍵合的一種替代技術，形成穿透硅圓片的通孔結構可以大大縮短互連的距離，從而消除了芯片疊層在數量上的限制。這種采用直接互連的方法能提高器件的工作速度，該技術方法通常被稱作為硅片貫穿孔(TSV)技術，但目前由于采用該項技術的工程成本很高，還不能利用該技術進行大批量生產。

　　(3) 標準封裝堆疊(TSOP堆疊)和柔性PCB混合堆疊封裝技術是三維立體封裝是一種近些年來新興的立體封裝技術，其特色是將已封裝的芯片(例如TSOP芯片)通過堆疊或柔性PCB堆疊后進行灌封，在經過切割成型、表面處理、激光雕刻實現芯片之間的互連;該技術具有很高的靈活性和適應性。值得一提的是，該技術可以對基于晶圓級立體封裝的芯片進行再一次立體封裝，因此是一項極具發展潛力而且似乎不會過時的技術。

　　4 SIP立體封裝技術在嵌入式計算機系統中的應用

　　嵌入式計算機系統已廣泛應用于航空、航天、工業控制、消費類電子等領域。

　　在航空、航天領域的箭載、船載、機載電子系統中，目前均采用開放式分布計算機系統，大部分的節點計算機為嵌入式計算機。隨著箭載、船載、機載電子系統功能越來越強大，系統更復雜，節點計算機的數量也在逐步增加，勢必造成電子系統的重量增加，從而導致動力系統的負荷增加，而需大幅度提升發動機的推力，使火箭、飛船、飛機的整體重量增加。最終將導致成本大幅度提升。因此，有效降低航空、航天領域的箭載、船載、機載電子系統中的嵌入式計算機系統的重量尤為重要，如何減小嵌入式計算機的體積和重量也越來越受到航空、航天領域設計人員的關注。

　　在工業控制及民用消費類電子領域，各種手持設備如掌上電腦、移動通信設備、各類手持機等都依賴于嵌入式計算機系統。如何較小嵌入式計算機的體積，是手持設備提升性能，降低成本，提高產品的市場競爭力的關鍵。

　　近些年來，隨著集成電路的集成度越來越高，嵌入式計算機芯片的功能越來越強大，可集成存儲器、串口、網口、USB、SPI、I2C等多種外設及接口，但由于嵌入式計算機芯片本身難以實現功率器件及大容量數據存儲器的集成，因此在使用過程中外圍接口的功率驅動電路以及大容量數據存儲還需依賴平面板級設計來實現，這就給進一步提高嵌入式計算機系統的集成度，降低體積帶來一定的限制。隨著SIP立體封裝技術的出現，為嵌入式計算機系統的進一步集成創造了條件。SIP立體封裝技術可改變嵌入式計算機系統傳統的平面板級設計模式，將嵌入式計算機系統的處理器、存儲器、外圍功率驅動接口等在三維空間內進行集成，可有效降低器件對PCB板的占用面積，從而大幅度降低嵌入式計算機系統的體積，減輕電子系統的整體重量，降低整體設備的成本。

　　5 SIP立體封裝嵌入式計算機模塊簡介

　　SiP微型計算機系統芯片是一種具有大容量存儲及多種外設接口的計算機系統芯片;其內部不僅可集成微處理器、大容量的SRAM、FLASH或SDRAM，而且還可集成UART、GPIO、I2C、SPI、網絡等多種外圍接口，使之構成一個功能強大的計算機系統。

　　在芯片設計時，一般情況下按照系統各部分的功能，將系統劃分為處理器層、存儲器層、外設接口層等。各層在垂直方向上進行堆疊，再將各層之間需要連接的信號互連起來，最終構成一個完整的計算機系統模塊(如圖2所示)。采用SIP立體封裝技術構成的嵌入式計算機系統模塊，和傳統的平面板級系統節省PCB占用面積達80%以上，可大幅度縮小嵌入式計算機系統的體積和重量。而且由于系統各部分之間的連接線路大幅縮短，從而系統的運行速度、抗干擾特性、功耗等均有顯著改善，可靠性大幅度提升。

　　圖2 SIP立體封裝嵌入式計算機模塊堆疊示意圖

　　珠海歐比特公司根據航空、航天領域的需求，開發了基于SIP立體封裝技術的嵌入式計算機系統模塊。該模塊集成了SPARC V8架構的S698-T SOC芯片、SRAM、FLASH ROM、1553B總線接口、ARINC429總線接口、RS232接口、GPIO、AD轉換接口等。用戶僅需要很少的外部元件(電源、接插件)即可作為1553B總線節點計算機使用(其結構如圖3所示)。該計算機系統模塊預留了外部總線接口，用戶可方便地進行系統擴展設計。該模塊可以替代原來的一塊或數塊電路板，甚至可以替代原來的一臺計算機。