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測試與測量  

電子產業內普遍持有的一種誤解,認為系統級封裝(System-In-Package,SIP)僅僅是一種製造/封裝技術,這種觀點低估了成功生產SIP產品的挑戰及其所帶來的好處。為了糾正這種偏見,本文將對SIP技術進行概述並探討其發展趨勢,說明為什麼SIP能在諸如高解析度數位相機這樣的主流產品中,得到越來越廣泛的應用。

上網時間: 2005年03月26日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:SIP  系統封裝  覆晶技術  線接合  wire banding 

系統級封裝帶來系統設計新優勢

電子產業內普遍持有的一種誤解,認為系統級封裝(System-In-Package,SIP)僅僅是一種製造/封裝技術,這種觀點低估了成功生產SIP產品的挑戰及其所帶來的好處。為了糾正這種偏見,本文將對SIP技術進行概述並探討其發展趨勢,說明為什麼SIP能在諸如高解析度數位相機這樣的主流產品中,得到越來越廣泛的應用。

瑞薩公司正運用其所擁有的技術來支援SIP製程,並使之完成從概念到量產的過程。SIP生產中使用了先進的系統設計方法,分割(partitioning)與整合專有技術、覆晶技術線接合(wire bonding)技術、多層堆疊技術、高密度黏著技術,以及最佳化的測試方法和其它技術。

瑞薩製造的典型SIP產品基於其自有CPU核心(例如SuperH或M32)。SIP產品的儲存晶片包括了從低密度到高密度的DRAM、Flash以及光罩唯讀記憶體(mask ROM),這些晶片常常來自許多不同的供應商。其它嵌入的晶片包括ASIC、類比IC等,這些晶片取決於客戶的需求。

值得注意的是,來自SIP的需求正驅動著DRAM製造商們開始開發專門用於SIP的記憶體。例如,DRAM製造商們正將其佈局從center-pad方式改為edge-pad,以便於進行晶片堆疊。他們亦試圖使I/O緩衝器驅動可方便進行調整,以降低SIP產品的功耗。這種趨勢將有助於增加未來SIP的特性和應用。

SIP應用的優勢

與在電路板上採用多個晶片的系統設計相比,使用SIP實現的方案更小、更輕、更薄,另一個好處是這樣可以減少或消除客戶對高速電路設計的需求。另一項與此相關的優勢是SIP產生的EMI噪音更小。

圖:SIP技術降低產品開發周期和開發成本。

為了闡述SIP是怎樣解決客戶可能面對的高速設計問題,假定在系統設計中要求採用時脈頻率為400MHz的CPU。設計挑戰包括EMI噪音、開關噪音,以及由於需要採用多層電路板而增加電路板成本,並且需要獲得合適的DRAM並與之連接。SIP因為包含一個快速的CPU和DDR記憶體而避免了這些問題,並且還能避免或在內部解決一些其他問題。

通常一個構建在電路板上的嵌入式系統,其噪音程度大約為90dB。而用SIP技術則能大幅度地將噪音程度降低到60dB左右。這種改善主要是由於,SIP基板上的互連線很短,以及其適當的電源設計。另一個優點是SIP將峰值電壓降低了大約70%,如此將簡化客戶終端產品設計。

由於SIP節省了電路板空間,因此也附帶降低了電路板成本。同樣,由於SIP元件可以得到充分的測試,因而可以節省客戶測試時間,省去很多麻煩,甚至還能降低測試設備的投資,並減少元件的採購流程以及元件庫存。甚至與SoC相比,SIP的開發周期更短而開發成本更低。以一個大量生產的數位相機應用為例,一間廠商在原先的設計中採用了3塊電路板。當該公司推出採用瑞薩公司的SIP新款相機時,整個線路板的體積減小了70%。透過在SIP中加入更多的堆疊層,他們即將推出的設計又進一步完善和最佳化,電路板的尺寸再一次降低40%。採用SIP使得客戶的電路板成本降低,並留出更多的空間給更大的電池,這樣延長了相機的連續工作時間。

符合SIP需求的最佳化SoC

大約5年前,開發SIP的主流方法是將現有的大型積體電路(LSI)組合在一起。從2003年開始,開發專用於SIP的新型SoC元件的趨勢已經初現。而現在,一旦SoC晶片開發成功,SIP的封裝就可以開始了。設計用於SIP的SoC有四個重要方面需要注意:其一是晶片配置必須最佳化;其二是必須確定最佳的I/O引線佈局;其三是I/O緩衝器長度必須恰當;最後是必須設計並構建合適的元件測試電路。

瑞薩在經過大量測試後,已經移除了其SIP全部用於測試過程的對外引腳。當SIP完成設計,其測試問題就都已解決。這種SIP設計的核心目標是降低所需的測試時間,促進大規模生產,保證SIP產品具有與系統單晶片同樣的高品質。

IC黏著與連接

將晶片組裝到SIP中有多種方法:堆疊組裝、相鄰組裝、封裝疊加(Package on Package,POP)以及QFP型。每一種方法都有其獨特之處:堆疊技術在縮小封裝尺寸方面特別有效,是要求小外形尺寸的SIP的最佳選擇;相鄰組裝(side-by-side)通常用於功耗很大的晶片。瑞薩主要使用堆疊組裝方法製造用於行動電話以及數位相機的SIP產品。

LSI晶片被組裝入SIP之後,將其互相連接在一起的主要有兩種技術:覆晶(flip-chip)技術和線接合技術。覆晶技術的特點是將LSI的線路一側直接連接到SIP基板上,連接點無需再額外佔用基板空間。這使得整個系統的外形尺寸更小,但會導致SIP基板的成本居高不下。與覆晶技術形成鮮明對比的是,線接合技術成本不高,但由於必須在SIP基板上放置晶片的區域之外留出連接引線的焊盤,使得SIP的外形尺寸更大。同樣,引線還會佔用晶片上方的一定空間。

當採用堆疊技術組裝SIP時,覆晶或線接合技術都可以用在較低的晶片上,二者都符合客戶的要求。對於高可靠性和高性能SIP而言,覆晶技術更有效。為了進行互連,覆晶技術包括金凸塊(gold bump)、ACF/NCF以及焊接方法。另外,還採用了晶圓製程封裝,這是一種使用二次連線技術將凸塊安置到晶圓上的方法。晶圓製程封裝最適合用於要求高可靠性的場合中。

五層堆疊SIP

瑞薩目前量產的SIP的堆疊層數為5層。這種生產能力要求開發大量的新技術,包括先進的基板以及用於12英寸/300mm晶圓的高效的切片方法,並採用了線接合、長/短環連線和覆晶技術。生產製程現可支援1.2mm的兩層堆疊以及1.6mm的5層堆疊。75μm和50μm的12英寸/300mm晶圓的晶片正在開發過程中。目前4層SIP基板的厚度為260μm,這一厚度將被減至200μm,實現更薄的SIP。

本文小結

隨著元件、製程和製造方法的發展和改進,SIP技術有望為眾多電子產品提供更大的容量以及更加多樣化的系統解決方案。隨著不斷提供能更好滿足客戶需求的產品,SIP產品將在PC周邊、光碟、硬碟、娛樂系統和工業設備以及導航系統等許多領域得到廣泛應用。

作者:海野雅史


行銷經理


瑞薩科技公司SIP設計事業部





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