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作為“超越摩爾”的特制化技術，SiP(系統級封裝，System in Package)將在5G這座巨大的“冰山”下，悄然推動封裝產業的板塊運動。來自威爾邦的Steven Lang介紹了SiP 的強大之處以及最關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設計理念基礎發展出來的一種IC封裝技術，指將多顆芯片或單芯片與電阻器、電容器、連接器、晶振、天線等被動組件封裝在一起，構成更為一個具有一定功能的電路系統。其架構中一般都會包含邏輯組件、內存組件等。

 

而與SoC不同的是，SiP是從封裝的角度出發，以并排或疊加的封裝方式，將多種功能芯片，包括處理器、存儲器等集成在一個封裝內，從而實現一個基本完整的功能。

 



 

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

 

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

 

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更具有優勢，但在實際封裝上，各模塊無法做到性能的全面最優，這就不得不在性能上進行妥協，這使得在設計上無法靈活自如，此外，較低的良率也是SOC無法大規模應用的原因。

 

對于SIP就沒有那么多煩惱，它似乎是解決系統桎梏的勝負手。它把多個半導體芯片和無源器件封裝在同一個芯片內，組成一個系統級的芯片，而不再用PCB板來作為承載芯片連接之間的載體，可以解決因為PCB自身的先天不足帶來系統性能遇到瓶頸的問題。以處理器和存儲芯片舉例，因為系統級封裝內部走線的密度可以遠高于PCB走線密度，從而解決PCB線寬帶來的系統瓶頸。舉例而言，因為存儲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，從而可以實現數據帶寬在接口帶寬上的提升。

 

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

 

在SiP整合封裝中，關鍵技術在于SiP封裝體中的芯片或功能模組芯片內的互連技術，在一般簡單形式或是對芯片體積要求不高的方案中，運用打線接合(Wire Bonding)即可滿足多數需求，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和更復雜的3D形態。

 



 

EMI屏蔽技術

 

從集成度來看，雖然SiP遜色于SOC，但隨著電子產品升級迭代的速度需求日益增強，加上SiP具有更廣泛的量產前景，因此業界普遍看好SiP的應用趨勢。尤其是在手機封裝領域，如今的移動設備向著輕薄短小的方向發展，手機行業是這一方向的前鋒，它的薄型化，得益于多方面技術的進步，包括SiP、PCB、顯示屏等技術，其中關鍵的技術之一就是EMI屏蔽技術。傳統的手機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，縱向上也要占用設備內部的立體空間，是設備小型化的一大障礙。由此也誕生出兩大全新的屏蔽技術：

 

共形屏蔽

 

據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。



 

但對于復雜的SiP封裝，將AP/BB、Memory、WiFi/BT、FEM等集成在一起，封裝內部各子系統之間也會相互干擾，需要在封裝內部進行隔離。另外，對于大尺寸SiP封裝，其整個屏蔽結構的電磁諧振頻率較低，加上數字系統本身的噪聲帶寬很寬，容易在SiP內部形成共振，導致系統無法正常工作。

 

這里Compartment shielding（劃區屏蔽）除了可用于封裝外部屏蔽，還可以對封裝內部各子系統模塊間實現隔離。其由Conformal shielding技術改進而來，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完全隔離開。另外，劃區屏蔽將屏蔽腔劃分成小腔體，減小了屏蔽腔的尺寸，其諧振頻率遠高于系統噪聲頻率，避免了電磁共振，從而使得系統更穩定。

 

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

 

· 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

· 節省系統特殊屏蔽部件的加工和組裝成本

· 節省PCB面積和設備內部空間

 

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

 



 

共形屏蔽技術在業界最常見的使用的方法是PVD物理氣相沉積腔室。

 



 

集研發、生產、銷售和服務于一體的技術的威爾邦公司針對手機研發的聚氨酯結構熱熔膠(PUR結構膠)，是一種高性能環保型膠粘劑，具有反應型液態膠粘劑特有耐水、耐熱、耐寒、耐蠕變和耐介質等性能，其快速定位、快速固化、初粘性高的卓越功能在業內享有盛譽。針對超窄邊框全面屏手機潮流，2016年威爾邦導入全球戰略新業務，開發全面屏手機窄邊框LCM側邊封膠產品，廣受客戶青睞，其噴膠方案更是搶占了全球90%的市場份額，有效推動產業鏈的技術更新和產品迭代。目前，以威爾邦為代表的國產電子工業膠粘劑已開始在國內消費電子制造領域逐步取代海外進口品牌，成為眾多知名消費電子產品制造商的合作開發伙伴!

 

目前，公司已成為華為、蘋果、小米、聯想、oppo、vivo、Coolpad等國內外眾多知名消費電子品牌的電子膠黏劑的主要供應商，其銷量在細分領域國內第一、國際第三，主要兩家競爭對手均為世界五百強公司。

 



 

作為國內新材料行業的后起之秀，威爾邦專注電子膠粘劑細分領域，經過十年創新發展，不斷進行研發創新的投入，加速產品更新迭代的速度，以工匠精神鑄就產品品質，快速成長為這一細分行業的“隱形冠軍”，他們最拿手的技術便是底部填充膠。

 

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），它是在電子行業實際應用中的最普遍的膠水。最專業的解釋是：作為一種單組分環氧密封劑，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。受熱時能快速固化。較低的粘度特性使得其能更好的進行底部填充；較高的流動性加強了其返修的可操作性。”

 

Steven表示，芯片大規模量產上市的硬性標準就是可靠性，因此底填膠的質量就必須經得住考驗。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品線。

 



 

Underfill的填充并非通過外加壓力達到粘合效果，而是憑借“毛細作用”，業內稱為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，這些主要特征將會要求underfill要有更好的流動性；



 

總結-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、生產周期短等特點，不僅在工業應用和物聯網領域，手機以及智能手表、智能手環、智能眼鏡等領域也有非常廣闊的市場。據悉蘋果公司已在產品中更大范圍采用了SiP設計，有望加速這項技術在高端TWS耳機市場的普及。

 

目前全世界封裝的產值只占集成電路總值的10%，而SIP的出現很可能將打破目前集成電路的產業格局，改變封裝僅僅是一個后續加工廠的狀況。未來集成電路產業中也許會出現一批結合設計能力與封裝工藝的實體，掌握有自己品牌的產品和利潤。當SIP技術被封裝企業掌握后，封裝業的產值可能會出現一定幅度的提高。