SIP立體封裝技術(shù)在嵌入式計算機系統中的應用

　　1 概述

　　目前大部分集成電路均采用平面封裝形式，即在同一個(gè)平面內集成單個(gè)芯片的封裝技術(shù)。由于受到面積的限制難以在同一平面上集成多個(gè)芯片。所謂立體封裝是一項近幾年來(lái)新興的一種集成電路封裝技術(shù)，突破了傳統的平面封裝的概念;它是在三維立體空間內實(shí)現單個(gè)封裝體內堆疊多個(gè)芯片(已封裝芯片或裸片)的封裝技術(shù)(如圖1所示)。近些年來(lái)隨著(zhù)微電子技術(shù)、計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，嵌入式計算機系統在各類(lèi)系統級電子產(chǎn)品中得以廣泛應用。各類(lèi)移動(dòng)設備、手持設備、民用電子產(chǎn)品的操作和控制越來(lái)越依賴(lài)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(diǎn)。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(diǎn)，在未來(lái)的電子設備中將得到越來(lái)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(diǎn)

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

　　(2) 單體內可實(shí)現不同類(lèi)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(jīng)立體封裝后，形成一個(gè)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(xiàn)路顯著(zhù)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(chǎn)品體積大幅度縮小;

　　(5) 該技術(shù)可以對基于晶圓級立體封裝的芯片進(jìn)行再一次立體封裝，其組裝效率可隨著(zhù)被封裝芯片的密度增長(cháng)而增長(cháng)，因此是一項極具發(fā)展潛力而且似乎不會(huì )過(guò)時(shí)的技術(shù)。

　　3 立體封裝芯片技術(shù)發(fā)展狀況

　　隨著(zhù)IC器件尺寸不斷縮小和運算速度的不斷提高，封裝技術(shù)已成為極為關(guān)鍵的技術(shù)。封裝形式的優(yōu)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(fā)展，一直是伴隨著(zhù)封裝芯片的功能和元件數的增加而呈遞進(jìn)式發(fā)展。封裝技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了多次變遷，從DIP、SOP、QFP、MLF、MCM、BGA到CSP、SIP，技術(shù)指標越來(lái)越先進(jìn)。封裝技術(shù)的發(fā)展已從連接、組裝等一般性生產(chǎn)技術(shù)逐步演變?yōu)閷?shí)現高度多樣化電子信息設備的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。目前封裝的熱點(diǎn)技術(shù)為高功率發(fā)光器件封裝技術(shù)、低成本高效率圖像芯片封裝技術(shù)、芯片凸點(diǎn)和倒裝技術(shù)、高可靠低成本封裝技術(shù)、BGA基板封裝技術(shù)、MCM多芯片組件封裝技術(shù)、四邊無(wú)引腳封裝技術(shù)、CSP封裝技術(shù)、SIP封裝技術(shù)等。

　　立體封裝被業(yè)界普遍看好，立體封裝的代表產(chǎn)品是系統級封裝(SIP)。SIP實(shí)際上就是一系統級的多芯片封裝，它是將多個(gè)芯片和可能的無(wú)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(shí)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(shù)是目前封裝業(yè)的熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢。

　　控制系統的設計人員所面臨的挑戰是如何能實(shí)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(chǎn)品的尺寸更小、同時(shí)擁有更多、更強的功能。半導體業(yè)界正在這一領(lǐng)域努力，希望在進(jìn)一步提高器件功能的同時(shí)，獲得更小尺寸的器件封裝結構，同時(shí)又能維持、甚至降低器件的整體成本。實(shí)踐證明，三維集成的成本要比對芯片進(jìn)行持續縮小的工程成本要低，因此，立體封裝是實(shí)現設備小型化的理想技術(shù)途徑，這是驅動(dòng)立體封裝技術(shù)發(fā)展的主要因素。

　　立體封裝主要有三種類(lèi)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(shí)現這三類(lèi)立體封裝主要有三種途徑：一種是在各類(lèi)基板內或多層布線(xiàn)介質(zhì)層中“埋置”R、C 或IC 等元器件，最上層再貼裝SMC 和SMD 來(lái)實(shí)現立體封裝，這種結構稱(chēng)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(shí)行多層布線(xiàn)，最上層再貼裝SMC 和SMD，從而構成立體封裝，這種結構稱(chēng)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(gè)裸芯片、封裝芯片、多芯片組件甚至圓片進(jìn)行疊層互連，構成立體封裝，這種結構稱(chēng)作疊層型立體封裝。目前只有第三種方式進(jìn)入了實(shí)用階段，而且掌握第三種立體封裝技術(shù)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(cháng)電公司和珠海歐比特公司。

　　立體封裝技術(shù)其核心是要在有限的空間內合理解決芯片之間的互連問(wèn)題，目前疊層型立體封裝的主要互連技術(shù)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(shí)，目前所用的互連技術(shù)是在焊區間使用引線(xiàn)鍵合的方法。隨著(zhù)芯片尺寸的縮小，引線(xiàn)鍵合方法受到了空間的限制，這主要是由于鍵合引線(xiàn)數量和密度，或是重疊式芯片制造而引起的。而鍵合引線(xiàn)的密度也會(huì )導致傳輸上的干擾和電子寄生。

　　(2) 作為引線(xiàn)鍵合的一種替代技術(shù)，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(shù)方法通常被稱(chēng)作為硅片貫穿孔(TSV)技術(shù)，但目前由于采用該項技術(shù)的工程成本很高，還不能利用該技術(shù)進(jìn)行大批量生產(chǎn)。

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

　　4 SIP立體封裝技術(shù)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(yè)控制、消費類(lèi)電子等領(lǐng)域。

　　在航空、航天領(lǐng)域的箭載、船載、機載電子系統中，目前均采用開(kāi)放式分布計算機系統，大部分的節點(diǎn)計算機為嵌入式計算機。隨著(zhù)箭載、船載、機載電子系統功能越來(lái)越強大，系統更復雜，節點(diǎn)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(dòng)力系統的負荷增加，而需大幅度提升發(fā)動(dòng)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(lǐng)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(lái)越受到航空、航天領(lǐng)域設計人員的關(guān)注。

　　在工業(yè)控制及民用消費類(lèi)電子領(lǐng)域，各種手持設備如掌上電腦、移動(dòng)通信設備、各類(lèi)手持機等都依賴(lài)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(chǎn)品的市場(chǎng)競爭力的關(guān)鍵。

　　近些年來(lái)，隨著(zhù)集成電路的集成度越來(lái)越高，嵌入式計算機芯片的功能越來(lái)越強大，可集成存儲器、串口、網(wǎng)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(shí)現功率器件及大容量數據存儲器的集成，因此在使用過(guò)程中外圍接口的功率驅動(dòng)電路以及大容量數據存儲還需依賴(lài)平面板級設計來(lái)實(shí)現，這就給進(jìn)一步提高嵌入式計算機系統的集成度，降低體積帶來(lái)一定的限制。隨著(zhù)SIP立體封裝技術(shù)的出現，為嵌入式計算機系統的進(jìn)一步集成創(chuàng )造了條件。SIP立體封裝技術(shù)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(dòng)接口等在三維空間內進(jìn)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(jiǎn)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(wǎng)絡(luò )等多種外圍接口，使之構成一個(gè)功能強大的計算機系統。

　　在芯片設計時(shí)，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(jìn)行堆疊，再將各層之間需要連接的信號互連起來(lái)，最終構成一個(gè)完整的計算機系統模塊(如圖2所示)。采用SIP立體封裝技術(shù)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(xiàn)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(zhù)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(lǐng)域的需求，開(kāi)發(fā)了基于SIP立體封裝技術(shù)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(xiàn)接口、ARINC429總線(xiàn)接口、RS232接口、GPIO、AD轉換接口等。用戶(hù)僅需要很少的外部元件(電源、接插件)即可作為1553B總線(xiàn)節點(diǎn)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(xiàn)接口，用戶(hù)可方便地進(jìn)行系統擴展設計。該模塊可以替代原來(lái)的一塊或數塊電路板，甚至可以替代原來(lái)的一臺計算機。

　　圖3 總線(xiàn)型SIP立體封裝微型計算機系統芯片構成框圖

　　該計算機系統模塊采用四層堆疊結構，采用144腳QFP封裝，外形尺寸如圖4所示。

　　(1) 第一層主要包括：處理器、晶振、內核電源轉換芯片等;

　　(2) 第二層主要包括：2片1M×16bit 數據SRAM;

　　(3) 第三層主要包括：1片2M×16bit程序FLASH;

　　(4) 第四層主要包括：1553B電平轉換、RS232電平轉換、系統復位電路等。

　　圖4 SIP立體封裝微型計算機系統芯片外形尺寸圖

　　6 結束語(yǔ)

　　綜上所述，SIP立體封裝是一項新興的立體封裝技術(shù)，雖然目前該技術(shù)還處于初期發(fā)展階段，其產(chǎn)品應用還局限于航空、航天、軍事及高端工業(yè)控制領(lǐng)域，但隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，材料成本和生產(chǎn)效率的逐步提高，未來(lái)幾年內，將廣泛應用于各類(lèi)嵌入式計算機系統中，具有非常廣闊的市場(chǎng)前景。

　　參考文獻：

　　[1] 珠海歐比特控制工程股份有限公司. VDS25632VQ12使用說(shuō)明書(shū). 2011.

　　[2] 珠海歐比特控制工程股份有限公司. VDSD51208VQ133使用說(shuō)明書(shū). 2011.

　　[3] 珠海歐比特控制工程股份有限公司. S698-T芯片用戶(hù)手冊. 2011.