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摘要：系統(tǒng)集成是實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品高性能，小型化和低成本目標(biāo)的重要手段。與同芯片上的系統(tǒng)集成 （SoC）相比, 封裝層次上的系統(tǒng)集成（SiP）的開發(fā)具有成本低、周期短和靈活性高等優(yōu)勢。本文以典型的無線電子系統(tǒng)為例，提出了有效的系統(tǒng)分割設(shè)計(jì)方法，介紹了一些用于子系統(tǒng)模塊封裝的方法，并強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)公司與封裝、基板及其它主被動元件供應(yīng)商之間協(xié)調(diào)合作對成功的模塊式電子系統(tǒng)開發(fā)的重要性。
關(guān)鍵詞：無線系統(tǒng)；系統(tǒng)型封裝（SiP）；小型化；銅柱技術(shù)；封裝疊加 （PoP）
Abstract：System integration is a very important method to achieve performance improvement, miniaturization, and cost reduction in electronic product development.  Compared with SoC solution, system level integration at packaging level may provide benefits that include more cost saving, more flexibility, and a shorter development cycle.  In this paper, we have proposed a system design methodology to demonstrate that an effective wireless system design could be achieved when the right packaging solutions are adopted through collaboration and co-design among system, packaging, substrate, and other active/passive component companies.  
Key Words：Wireless system; System-in-Package （SiP）, Miniaturization; Module, Copper pillar; PoP

      1 簡介
      線路板（PCB）的設(shè)計(jì)和制造對整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)制造成本和周期都有巨大影響[1]。平均來說，線路板的成本是整個(gè)電子產(chǎn)品成本的31%。在正在興起的模塊式PCB設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)工程師將分散元件組成的線路板系統(tǒng)有效組合，變成由多個(gè)子系統(tǒng)組成的線路板系統(tǒng),以期減少主板層數(shù)和面積，降低主板設(shè)計(jì)復(fù)雜度，縮短產(chǎn)品面世時(shí)間，簡化供應(yīng)鏈管理。
      電子產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)該平衡考慮系統(tǒng)里的主要因素，如性能，成本，尺寸，加工性，設(shè)計(jì)，靈活性，和供應(yīng)鏈的管理 （圖1），等等。無線通信系統(tǒng)通常有幾個(gè)子系統(tǒng)組成, 如，典型的手機(jī)系統(tǒng)包括，基帶，收發(fā)器，各式前端模塊，存儲器，供電管理，功放，天線，濾波器等。為了開發(fā)生產(chǎn)卓越而有競爭力的電子產(chǎn)品，系統(tǒng)集成越發(fā)重要。
      和芯片上的系統(tǒng)集成 （SoC）相比，封裝層次上的系統(tǒng)集成（SiP）在某些方面頗具優(yōu)勢，如降低系統(tǒng)成本、增加設(shè)計(jì)靈活性、縮短開發(fā)周期等[2]。當(dāng)今無線通信技術(shù)領(lǐng)域正經(jīng)歷巨大變化，無論在芯片開發(fā)還是在封裝技術(shù)上，小型化、高密度集成以及各類創(chuàng)新正成為主流，以應(yīng)對產(chǎn)品增加功能、提高性能、降低成本、縮小體積和快速面世的挑戰(zhàn)。芯片系統(tǒng)集成（SoC）和封裝系統(tǒng)集成（SiP）必須相互補(bǔ)充，以獲得最佳性能價(jià)格比去滿足市場需要。
      將整個(gè)射頻/模擬/數(shù)字系統(tǒng)集成在一個(gè)芯片中非常困難，因?yàn)?，系統(tǒng)通常還需要大量的存儲器、雙工器（duplexer）、過濾器、MEMS 元件、集成被動件和其它多媒體元件，等等。以創(chuàng)新的思路應(yīng)對市場需求成為必然。三維封裝因其高程度的立體和平面集成獲得業(yè)界采納。為了獲得更好的設(shè)計(jì)靈活性和成本控制，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者們也正在轉(zhuǎn)向使用各類高端封裝形式，如芯片疊加（stacked die），系統(tǒng)封裝（SiP）模塊，2.5D/3D 硅穿孔（TSV），封裝疊加（PoP）等形式[3]。

圖1 平衡的系統(tǒng)集成

      如何根據(jù)其功能要求對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行合理分割，并使不同的子系統(tǒng)免于耦合，同時(shí)減少元件間的電磁波及噪聲互擾，對設(shè)計(jì)開發(fā)模塊式電子系統(tǒng)非常重要，需要有正確方法的指導(dǎo)。
      在這篇文章里，我們針對典型的無線通信系統(tǒng)提出了有效的系統(tǒng)分割設(shè)計(jì)方法，介紹了一些用于子系統(tǒng)模塊封裝的方法，并強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)公司與封裝、基板及其它主被動元件供應(yīng)商之間協(xié)調(diào)合作對成功的模塊式電子系統(tǒng)開發(fā)的重要性。具體包括：如何根據(jù)系統(tǒng)需求和其組合元件的功能對系統(tǒng)進(jìn)行合理分割；如何應(yīng)用各類封裝技術(shù)以達(dá)到提高性能、小型化和降低成本的要求；設(shè)計(jì)系統(tǒng)封裝模塊需要考慮的問題，如成本優(yōu)化、性能提升、運(yùn)用已知合格芯片（known good die）重要性、設(shè)計(jì)可制造性、設(shè)計(jì)可測試性，以及設(shè)計(jì)的可重復(fù)使用性等。

 

      2  無線系統(tǒng)及系統(tǒng)集成
      圖2描述了無線系統(tǒng)中的手機(jī)系統(tǒng)和基站系統(tǒng)。在典型的OEM商務(wù)模式中，系統(tǒng)公司設(shè)計(jì)系統(tǒng)線路板，從芯片供應(yīng)商處購買所需的分立器件，并使用電子制造商（EMS）的服務(wù)完成器件組裝。這種商業(yè)模式?jīng)Q定了在產(chǎn)品尺寸和成本方面，系統(tǒng)公司之間很難形成較大差異。
      當(dāng)今手機(jī)市場競爭激烈，系統(tǒng)公司必須在增加功能、提高性能、降低成本、快速面市和小型化等方面做出更大努力。系統(tǒng)集成是必然的解決方案[4][5]。但只有優(yōu)化集成才可以達(dá)到如圖1所示的平衡狀態(tài)。進(jìn)行有效系統(tǒng)分割需要對系統(tǒng)有很好的理解，懂得獨(dú)立器件的供應(yīng)鏈情況，并知道用最佳的封裝技術(shù)來完成模塊系統(tǒng)封裝。這通常依賴于系統(tǒng)公司、芯片供應(yīng)公司和封裝公司的密切合作。

圖2 典型的無線系統(tǒng): 手機(jī)和基站

      芯片上的系統(tǒng)集成 （SoC）和封裝層次上的系統(tǒng)（SiP）集成方法都是可行的，但它們必須相互補(bǔ)充以獲取最佳系統(tǒng)性能價(jià)格比。
      各類先進(jìn)的封裝技術(shù)，如封裝疊加（PoP）、銅柱（copper pillar）、硅穿孔（TSV）、集成被動元件（IPD）、共形屏蔽（conformal shielding）、倒裝塑封BGA（FCMBGA）等為系統(tǒng)集成提供了更多的可能性。

      3  無線系統(tǒng)之分割
      圖3和圖4分別描述了手機(jī)系統(tǒng)和基站系統(tǒng)的基本功能組合。
      對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面透徹分析，并專注于產(chǎn)生有效子系統(tǒng)是非常重要的。一個(gè)或者多個(gè)子系統(tǒng)可以被封裝成一個(gè)SiP模塊，以達(dá)到提高性能、減少尺寸、節(jié)約成本和簡化系統(tǒng)板設(shè)計(jì)的目的。
      已知合格芯片（KGD）的供應(yīng)和使用對成功的系統(tǒng)封裝（SiP）開發(fā)和生產(chǎn)是十分關(guān)鍵的。KGD的合格率直接影響SiP生產(chǎn)中的良率。例如，在一個(gè)SiP中有8顆KGD，它們的良率都是99%，那么這個(gè)SiP在沒有考慮其它因

素對良率的折損時(shí)，其良率已減少至92.27%。為了獲得高良率的KGD，芯片供應(yīng)商需要進(jìn)行晶圓級的功能測試和老化試驗(yàn)，以除去有功能缺陷的芯片和早期失效的芯片。對某些含有射頻（RF）信號的芯片進(jìn)行晶圓級的功能測試是非常困難的，而且成本有時(shí)會很高。晶圓級的老化試驗(yàn)也有同樣問題。因此，我們必須了解哪些芯片廠商愿意提供KGD，它們KGD的良率又是多少。
      開發(fā)系統(tǒng)封裝模塊（SiP）的復(fù)雜性還表現(xiàn)在，我們必須同時(shí)考量其它因素，如開發(fā)周期、測試、傳熱、射頻屏蔽和模塊可靠性等。在圖3描述的手機(jī)系統(tǒng)中，可以考慮使用1到4個(gè)SiP模塊。例如，簡單的SiP模塊可以只包括基帶（baseband）和存儲芯片（memory），更復(fù)雜的SiP模塊可以包括基帶、存儲和前端模塊（FEM）等。
      對于圖4描述的基站系統(tǒng)，可以開發(fā)四種類型的SiP模塊：各種帶寬的信號發(fā)送及反饋SiP模塊；各種帶寬的信號接收SiP模塊；供電管理SiP模塊；數(shù)字和存儲SiP模塊。如圖5所示。

圖3 手機(jī)SiP系統(tǒng)集成

圖4 基站收發(fā)系統(tǒng)

      封裝技術(shù)的多樣性和封裝技術(shù)的進(jìn)步為系統(tǒng)公司開發(fā)各種有效的SiP模塊提供了眾多可能。
      圖6和圖7展示了使用不同封裝技術(shù)開發(fā)的SiP模塊。例如，全球定位系統(tǒng)（GPS）模塊包含一顆倒裝（flip chip）基帶（baseband）芯片與一顆焊線射頻（RF）芯片的疊加，一顆晶振（crystal），一顆聲表面濾波器（saw filter），和一些被動元件。模塊大小8.0 mm×6.5 mm，并有50個(gè)LGA引腳。另一個(gè)例子包括了一顆ASIC和四顆存儲芯片，用以提高系統(tǒng)性能，簡化系統(tǒng)主板設(shè)計(jì)和減少主板層數(shù)[6]。
      新近的封裝小型化趨勢拓展了系統(tǒng)廠商對SiP模塊的應(yīng)用。細(xì)間距概念的廣泛實(shí)施實(shí)現(xiàn)了50μm焊點(diǎn)間距的焊線技術(shù)，凸點(diǎn)（bumping）間距小于50μm的通過使用銅柱（copper pillar）的芯片倒裝技術(shù)，還有小于15μm/15μm 線寬/線距高密封裝基板的使用（圖8）。另外，各類封裝體的薄化技術(shù)也得到推廣（圖9）。如在基板上使用更薄的絕緣層和金屬層，或使用薄核或無核基板；磨薄芯片至50μm或更??；在焊線技術(shù)中使用低高線?。ù蠹s50μm）或使用薄型塑封蓋（mold cap，大約100μm）；或使用射頻共形屏蔽技術(shù)以降低封裝體厚度。三維芯片疊加技術(shù)也是封裝小型化的關(guān)鍵。圖10展示了幾個(gè)目前已有的三維疊加技術(shù)，純用焊線的芯片疊加，焊線和倒裝的混合型芯片疊加，封裝疊加（PoP），和硅穿孔（TSV），等等。