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作為“超越摩爾”的特制化技術(shù)，SiP(系統(tǒng)級封裝，System in Package)將在5G這座巨大的“冰山”下，悄然推動(dòng)封裝產(chǎn)業(yè)的板塊運(yùn)動(dòng)。來自威爾邦的Steven Lang介紹了SiP 的強(qiáng)大之處以及最關(guān)鍵的底部填充材料的重要性。

 

SIP vs SOC

 

首先，與SoC相同的是，SiP是在SoC設(shè)計(jì)理念基礎(chǔ)發(fā)展出來的一種IC封裝技術(shù)，指將多顆芯片或單芯片與電阻器、電容器、連接器、晶振、天線等被動(dòng)組件封裝在一起，構(gòu)成更為一個(gè)具有一定功能的電路系統(tǒng)。其架構(gòu)中一般都會(huì)包含邏輯組件、內(nèi)存組件等。

 

而與SoC不同的是，SiP是從封裝的角度出發(fā)，以并排或疊加的封裝方式，將多種功能芯片，包括處理器、存儲(chǔ)器等集成在一個(gè)封裝內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本完整的功能。

 



 

從一定程度講，SiP是SoC技術(shù)在納米時(shí)代的裂變。隨著SoC制程從微米進(jìn)入納米，單一集成電路芯片內(nèi)所能容納的晶體管數(shù)目愈來愈多，業(yè)界通過提高SoC整合度滿足用戶對低功耗、低成本及高效能的要求。但是當(dāng)半導(dǎo)體制程進(jìn)入納米時(shí)代后，SoC所面臨的各種問題，如制程微縮瓶頸，成本愈來愈大，異質(zhì)(Heterogeneous)整合困難，產(chǎn)品生命周期變短等，這為SiP技術(shù)帶來了嶄新的發(fā)展機(jī)會(huì)。

 

概念上，SiP包括了多芯片模組(Multi-chip Module；MCM)技術(shù)、多芯片封裝(Multi-chip Package；MCP)技術(shù)、芯片堆疊(Stack Die)、PoP(Package on Package)、PiP(Package in Package)，以及將主/被動(dòng)組件內(nèi)埋于基板(Embedded Substrate)等技術(shù)。

 

潛力股

 

Steven介紹，對于SoC來講，模塊是由硅片連接，其速度、性能都是被硅片天生的性能所限制。理論上要比SiP更具有優(yōu)勢，但在實(shí)際封裝上，各模塊無法做到性能的全面最優(yōu)，這就不得不在性能上進(jìn)行妥協(xié)，這使得在設(shè)計(jì)上無法靈活自如，此外，較低的良率也是SOC無法大規(guī)模應(yīng)用的原因。

 

對于SIP就沒有那么多煩惱，它似乎是解決系統(tǒng)桎梏的勝負(fù)手。它把多個(gè)半導(dǎo)體芯片和無源器件封裝在同一個(gè)芯片內(nèi)，組成一個(gè)系統(tǒng)級的芯片，而不再用PCB板來作為承載芯片連接之間的載體，可以解決因?yàn)镻CB自身的先天不足帶來系統(tǒng)性能遇到瓶頸的問題。以處理器和存儲(chǔ)芯片舉例，因?yàn)橄到y(tǒng)級封裝內(nèi)部走線的密度可以遠(yuǎn)高于PCB走線密度，從而解決PCB線寬帶來的系統(tǒng)瓶頸。舉例而言，因?yàn)榇鎯?chǔ)器芯片和處理器芯片可以通過穿孔的方式連接在一起，不再受PCB線寬的限制，從而可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)帶寬在接口帶寬上的提升。

 

其中在SiP整合封裝中，關(guān)鍵的技術(shù)就在于SiP封裝體中的芯片或功能模組的芯片內(nèi)互連技術(shù)(Interconnection)，在一般簡單形式或是對芯片體積要求不高的方案中，運(yùn)用打線接合(Wire Bonding)即可滿足多數(shù)需求，而打線接合形式芯片多用Side by Side并列布局為主，當(dāng)功能芯片數(shù)量多時(shí)，芯片的占位面積就會(huì)增加，而若要達(dá)到SiP封裝體再積極微縮設(shè)計(jì)，就可改用技術(shù)層次更高的覆晶技術(shù)(Flip Chip)或是Flip Chip再搭配打線接合與IC載板(Substrate)之間進(jìn)行互連。

 

在SiP整合封裝中，關(guān)鍵技術(shù)在于SiP封裝體中的芯片或功能模組芯片內(nèi)的互連技術(shù)，在一般簡單形式或是對芯片體積要求不高的方案中，運(yùn)用打線接合(Wire Bonding)即可滿足多數(shù)需求，而打線接合形式芯片多用Side by Side并列布局為主。 到目前為止，也有2.5D和更復(fù)雜的3D形態(tài)。

 



 

EMI屏蔽技術(shù)

 

從集成度來看，雖然SiP遜色于SOC，但隨著電子產(chǎn)品升級迭代的速度需求日益增強(qiáng)，加上SiP具有更廣泛的量產(chǎn)前景，因此業(yè)界普遍看好SiP的應(yīng)用趨勢。尤其是在手機(jī)封裝領(lǐng)域，如今的移動(dòng)設(shè)備向著輕薄短小的方向發(fā)展，手機(jī)行業(yè)是這一方向的前鋒，它的薄型化，得益于多方面技術(shù)的進(jìn)步，包括SiP、PCB、顯示屏等技術(shù)，其中關(guān)鍵的技術(shù)之一就是EMI屏蔽技術(shù)。傳統(tǒng)的手機(jī)EMI屏蔽是采用金屬屏蔽罩，屏蔽罩在橫向上要占用寶貴的PCB面積，縱向上也要占用設(shè)備內(nèi)部的立體空間，是設(shè)備小型化的一大障礙。由此也誕生出兩大全新的屏蔽技術(shù)：

 

共形屏蔽

 

據(jù)Steven介紹，共形屏蔽（Conformal shielding）是將屏蔽層和封裝完全融合在一起，模組自身就帶有屏蔽功能，芯片貼裝在PCB上后，不再需要外加屏蔽罩，不占用額外的設(shè)備空間，從而解決這一難題。Steven表示：此方法也可以在SiP模組中使用或者Overmolded shielding將屏蔽罩封裝在塑封體內(nèi)。



 

但對于復(fù)雜的SiP封裝，將AP/BB、Memory、WiFi/BT、FEM等集成在一起，封裝內(nèi)部各子系統(tǒng)之間也會(huì)相互干擾，需要在封裝內(nèi)部進(jìn)行隔離。另外，對于大尺寸SiP封裝，其整個(gè)屏蔽結(jié)構(gòu)的電磁諧振頻率較低，加上數(shù)字系統(tǒng)本身的噪聲帶寬很寬，容易在SiP內(nèi)部形成共振，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。

 

這里Compartment shielding（劃區(qū)屏蔽）除了可用于封裝外部屏蔽，還可以對封裝內(nèi)部各子系統(tǒng)模塊間實(shí)現(xiàn)隔離。其由Conformal shielding技術(shù)改進(jìn)而來，用激光打穿塑封體，露出封裝基板上的接地銅箔，灌入導(dǎo)電填料形成屏蔽墻，并與封裝表面的共形屏蔽層一起將各子系統(tǒng)完全隔離開。另外，劃區(qū)屏蔽將屏蔽腔劃分成小腔體，減小了屏蔽腔的尺寸，其諧振頻率遠(yuǎn)高于系統(tǒng)噪聲頻率，避免了電磁共振，從而使得系統(tǒng)更穩(wěn)定。

 

總的來說，共形（Conformal）和劃區(qū)（Compartmental）屏蔽方案應(yīng)用靈活廣泛：

 

· 最大限度減少封裝中的雜散和EMI輻射

· 最大限度減少系統(tǒng)中相鄰器件間的干擾

· 器件封裝橫向和縱向尺寸增加幾乎為零

· 節(jié)省系統(tǒng)特殊屏蔽部件的加工和組裝成本

· 節(jié)省PCB面積和設(shè)備內(nèi)部空間

 

共形屏蔽技術(shù)可以解決SiP內(nèi)部以及周圍環(huán)境之間的EMI干擾，對封裝尺寸和重量幾乎沒有影響，具有優(yōu)良的電磁屏蔽性能，可以取代大尺寸的金屬屏蔽罩。

 



 

共形屏蔽技術(shù)在業(yè)界最常見的使用的方法是PVD物理氣相沉積腔室。

 



 

集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和服務(wù)于一體的技術(shù)的威爾邦公司針對手機(jī)研發(fā)的聚氨酯結(jié)構(gòu)熱熔膠(PUR結(jié)構(gòu)膠)，是一種高性能環(huán)保型膠粘劑，具有反應(yīng)型液態(tài)膠粘劑特有耐水、耐熱、耐寒、耐蠕變和耐介質(zhì)等性能，其快速定位、快速固化、初粘性高的卓越功能在業(yè)內(nèi)享有盛譽(yù)。針對超窄邊框全面屏手機(jī)潮流，2016年威爾邦導(dǎo)入全球戰(zhàn)略新業(yè)務(wù)，開發(fā)全面屏手機(jī)窄邊框LCM側(cè)邊封膠產(chǎn)品，廣受客戶青睞，其噴膠方案更是搶占了全球90%的市場份額，有效推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)更新和產(chǎn)品迭代。目前，以威爾邦為代表的國產(chǎn)電子工業(yè)膠粘劑已開始在國內(nèi)消費(fèi)電子制造領(lǐng)域逐步取代海外進(jìn)口品牌，成為眾多知名消費(fèi)電子產(chǎn)品制造商的合作開發(fā)伙伴!

 

目前，公司已成為華為、蘋果、小米、聯(lián)想、oppo、vivo、Coolpad等國內(nèi)外眾多知名消費(fèi)電子品牌的電子膠黏劑的主要供應(yīng)商，其銷量在細(xì)分領(lǐng)域國內(nèi)第一、國際第三，主要兩家競爭對手均為世界五百強(qiáng)公司。

 



 

作為國內(nèi)新材料行業(yè)的后起之秀，威爾邦專注電子膠粘劑細(xì)分領(lǐng)域，經(jīng)過十年創(chuàng)新發(fā)展，不斷進(jìn)行研發(fā)創(chuàng)新的投入，加速產(chǎn)品更新迭代的速度，以工匠精神鑄就產(chǎn)品品質(zhì)，快速成長為這一細(xì)分行業(yè)的“隱形冠軍”，他們最拿手的技術(shù)便是底部填充膠。

 

底部填充膠（underfill）

 

說完SiP，就不得不提到它的粘合材料—底部填充劑（膠），它是在電子行業(yè)實(shí)際應(yīng)用中的最普遍的膠水。最專業(yè)的解釋是：作為一種單組分環(huán)氧密封劑，用于CSP或BGA底部填充制程。它能形成一致和無缺陷的底部填充層，能有效降低由于硅芯片與基板之間的總體溫度膨脹特性不匹配或外力造成的沖擊。受熱時(shí)能快速固化。較低的粘度特性使得其能更好的進(jìn)行底部填充；較高的流動(dòng)性加強(qiáng)了其返修的可操作性。”

 

Steven表示，芯片大規(guī)模量產(chǎn)上市的硬性標(biāo)準(zhǔn)就是可靠性，因此底填膠的質(zhì)量就必須經(jīng)得住考驗(yàn)。底填膠大體可分為兩種形式：硅芯片級底填和用于芯片和主板的板級底填產(chǎn)品線。

 



 

Underfill的填充并非通過外加壓力達(dá)到粘合效果，而是憑借“毛細(xì)作用”，業(yè)內(nèi)稱為capillary underfill。

 



 

underfill組成成分包含：

 

1.填充料SiO2——決定可靠性的主力軍；

2.環(huán)氧樹脂

3.固化體系

4.其余添加劑

 



 

對于如此多的SiP封裝種類來講，他們對于underfill的質(zhì)量也有著一定要求：

 

間距、窄隙、芯片間距、更薄的芯片，這些主要特征將會(huì)要求underfill要有更好的流動(dòng)性；



 

總結(jié)-SiP 形勢大好

 

得益于SIP封裝高靈活度、高集成度、低成本、小面積、高頻高速、生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)，不僅在工業(yè)應(yīng)用和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，手機(jī)以及智能手表、智能手環(huán)、智能眼鏡等領(lǐng)域也有非常廣闊的市場。據(jù)悉蘋果公司已在產(chǎn)品中更大范圍采用了SiP設(shè)計(jì)，有望加速這項(xiàng)技術(shù)在高端TWS耳機(jī)市場的普及。

 

目前全世界封裝的產(chǎn)值只占集成電路總值的10%，而SIP的出現(xiàn)很可能將打破目前集成電路的產(chǎn)業(yè)格局，改變封裝僅僅是一個(gè)后續(xù)加工廠的狀況。未來集成電路產(chǎn)業(yè)中也許會(huì)出現(xiàn)一批結(jié)合設(shè)計(jì)能力與封裝工藝的實(shí)體，掌握有自己品牌的產(chǎn)品和利潤。當(dāng)SIP技術(shù)被封裝企業(yè)掌握后，封裝業(yè)的產(chǎn)值可能會(huì)出現(xiàn)一定幅度的提高。