高级SiP设备新技术解决方案

多年来，system-in-package(SiP)技术一直是半导体封装的重点，以应对持续的系统集成和尺寸缩小的市场趋势。如今，SiP设备日益增加的复杂性和更高的封装密度推动了新封装技术的发展。相应的，隔层屏蔽技术使得在单个SiP中可以实现多种功能，而芯片之间不会产生干扰，而双面组装技术则大大提高了芯片密度。来自高技术市场客户更具挑战性的要求要求对SiP技术进行进一步研究。本报告将讨论目前应用于sip的技术，并预测未来会发生什么。

简介

为了更好地理解封装系统(SiP)技术，有必要回顾为什么SiP市场份额急剧增加，未来SiP需要关注哪些领域，以及高级SiP可以使用哪些解决方案。sip具有上市时间短、成品率高的集成功能、小型化、节约成本和可靠性等优点。

图1:SiP的功能集成。

关于上市时间，客户要求在生产之前有很短的开发时间。为了获得更好的性能，改变了模具周围的被动元件以实现所需的功能，而无需修改模具，这将需要更多的时间。这就是为什么为需要微调以满足客户要求的规格的射频设备选择SiP设计的原因。

为了实现复杂的功能，需要为每个功能集成技术。对于sip，这种集成发生在包内。对于复杂的产品，sip提供了良好的良率，因为在昂贵的封装中安装之前，单个组件的故障在模具级别就被排除了。为了提高生产过程中的良率和减少这些类型的不合格品，终端客户更喜欢将小组件放在封装中而不是主板上的SiP设备。

SiP在物理上比等效的片上系统(SoC)配置更大。然而，与发生在系统板级的组件集成相比，SiP提供了显著的减小尺寸的好处。在sip中放置许多组件的速度非常快——比PNP晶体管的传统芯片附着机快20倍以上。

图2:带隔层屏蔽的SiP。

最近，由于便携式和可穿戴产品要求的增加，跌落测试变得非常重要。传统电路板上的小部件在跌落测试中存在问题。因此，一些客户要求在带有隔层屏蔽的部件上应用过模，以防止电气干扰。

5G市场趋势

图3显示了第五代智能手机sip的市场前景(5克)无线通讯技术。随着无线通信技术的不断发展，智能手机需要更多的sip。通过1G无线技术，语音通信成为可能。在2G时代，文本与语音通信成为可能。3G技术的发展使得网速非常慢，智能手机也随之问世。对于4G，速度几乎与有线技术相同。因此，网络游戏和包括视频通信在内的各种应用程序成为可能，并使智能手机成为日常生活的必需品。Netflix、YouTube和优步等公司都推出了4G，并/或大幅增长。利用5G技术，自动驾驶汽车、增强现实(AR)、虚拟现实(VR)和众多物联网(IoT)应用成为可能。

图3:智能手机SiP包市场展望。

与4G相比，5G技术有什么不同?在4G之前，无线通信技术主要应用于智能手机。5G不仅适用于智能手机，还适用于汽车、消费者和计算(网络)市场。这种增加的使用量将需要实时响应的改进，数据传输速度提高20倍，低延迟~ 0.001s。低延迟是自动驾驶汽车的最大特点之一。它还允许大规模连接技术与事物和人。然而，随着4G向5G的过渡，一切都不会立即改变。与4G的实施一样，将宣布逐步改进的平台，这将需要时间来加速组装包装的开发。

图4:系统集成方法。

有了SoC技术，芯片上的电子电路集成成为可能——最高的集成度和更好的性能。然而，由于非经常性工程(NRE)成本高、开发时间长、微调困难、技术门槛高，soc的实现并不容易。

相比之下，板上系统(SoB)是在印刷电路板(PCB)上集成封装。这在无线通信速度比有线通信速度慢的3G技术中非常流行。集成灵活，开发时间短。但它也有缺点，如系统实施需要更大的面积，产量损失成本较高，随着技术应用更先进，产量损失成本增加。随着5G技术的应用，对SoB的需求消失了。

sip在封装中集成了有源和无源组件。通过异构集成，可以在没有高NRE的情况下实现小型化，并进行微调以避免长时间的开发时间。小面积集成的增加还会导致组装产量损失。

当前SiP解决方案

图5:DSMBGA结构。

今天，一个双面模制球栅阵列(DSMBGA) SiP是客户想要在他们的产品中使用的(见图5)。就在一年前，底部没有模具的双面组装被引入市场。然而，在移动设备的跌落测试中，观察到的失败需要毛细管底部填充的“隔离区”倒装芯片(FC)死亡。其他问题包括底部表面贴装技术(SMT)期间薄FC模具上的裂缝和底部区域不稳定的电磁干扰(EMI)屏蔽。DSMBGA解决了这些问题。

先进的设计规则在顶部应用了当前技术所允许的尽可能多的功能。采用模压底填充的细间距倒装芯片模具，采用比薄FC模具低高度的无源器件，并在顶部设置隔层屏蔽以防止电干扰。在这些项目中，隔间屏蔽技术使SiP对客户更具吸引力，因为它可以在封装中集成各种功能。模具表面的球形突出结构降低了跌落试验时的应力，条形磨削技术使薄模无开裂风险成为可能。封装上的EMI屏蔽保护敏感系统不受附近封装的影响，它推动了移动产品的小型化。

图6:高级设计规则。

为了通过先进的设计规则实现更高的集成度，需要先进的SMT模块组装，以消除人工处理。特别是在挑选和放置之后，基材应该被送入再流而不处理，因为即使非常小的不对中也会有严重的影响。目前，激光辅助粘接(LAB)技术已被开发出来，可以防止再流过程中的微小操作。但激光焊接材料不仅包括硅，还包括陶瓷、砷化镓、环氧树脂(EMC)等。

无论设计规则有多严格，在大规模生产过程中都会出现超出正常或异常控制的问题。例如，高速操作，包括取放，如果没有人工操作检查，很难进行质量控制。随着当今先进的技术，实时检测工具，如锡膏检测机和一个自动光学检测机器配置成SMT模块，以防止在SMT过程中出现大量缺陷，即使焊接后没有对缺陷进行筛选。

对于包级集成，不仅需要每个部件的可追溯性，还需要每个装配条件的可追溯性，以定义由测试站点筛选确定或由最终客户报告的缺陷的根本原因。由于客户对可追溯性的要求，几年前在包装上应用了二维条形码标记。然而，它仍在开发详细的项目可追溯性，如在组装期间应用的零件和晶圆上的模具坐标。

在SMT组装过程中，每个零件的焊桥缺陷是难以应用严格和先进设计规则的主要原因。为了优化焊锡印刷质量，不仅要有丝网打印机和模板质量，而且要在基板上有准确的模板和印模板设计，并进行重大努力以减少基板和模板之间的不匹配。

图7:隔室屏蔽方法。

采用隔层屏蔽技术，可以在sip中集成各种功能，即使某些部分对电干扰很敏感。通过适当的屏蔽性能和几何设计可以防止干扰。

例如，挖沟填土技术是几年前发展起来的。它需要相对较大的面积来实现填充过程中不产生空隙，并实现稳定的沟槽形状。填充材料连接到模具表面的EMI屏蔽。

采用钢丝笼技术，无需在模具表面安装电磁干扰屏蔽，即可实现屏蔽。使用这种技术所需的屏蔽面积比金属罩附件小。金属丝围栏技术主要应用于模具表面的激光凹槽。通过激光开槽暴露的导线连接到模具表面的EMI屏蔽。

最后，客户对垂直线技术感兴趣，因为所需空间比其他技术更小，并且可以在狭窄的轨道上实现细间距。

为了减少裸露金属线的空间，采用了带钢磨削技术来代替激光开槽，这影响了零件与激光开槽表面之间的间隙。

讨论

将组件嵌入衬底技术应用于一些器件，尽管它需要开发以提高成品率。此外，还采用了保形和隔层屏蔽技术进行SiP集成。双面组装技术通过在两个平面上填充组件来实现高集成度。5G技术中非常重要的5G天线最初是为SiP结构开发的。

图8:SiP的下一个适用结构。

开发的隔层屏蔽技术可以增加sip中各种功能的集成。

减少X/Y和Z封装尺寸可以通过现有的组装封装技术实现，这些技术包括封装对封装(PoP)、腔体结构、2.5D/3D、通过磨削细化封装和模制嵌入式封装(欧洲议会议员)．可以假设，在多平面上填充组件(例如MEP技术)将应用于未来的SiP设备。精细间距I/O技术，即使组件放在同一侧，也需要进一步发展。

为了通过高集成度进一步实现小型化，还必须考虑和解决热释放和可靠性问题。

结论

SiP技术在封装中集成了有源和无源组件。通过这种异构集成，可以在不产生高NRE的情况下实现小型化，并通过微调减少开发时间。但是，由于小面积元件集成度较高，也存在装配良率损失的缺点。

为了在没有良率损失的情况下实现更高的集成度，需要先进的SMT模块配置，以实现更高的精度和稳定的质量控制。然而，无论设计规则有多严格，在大规模生产过程中都会出现超出正常或异常控制的问题。高速操作，包括拣放，如果没有人工搬运检查，很难进行质量控制。利用当今的先进技术，实时检测工具，如锡膏检测机和自动光学检测机被配置到SMT模块中，以防止在焊接后即使没有对缺陷进行筛选，SMT过程中也会出现大量缺陷。

采用隔层屏蔽技术，可以在sip中集成各种功能，即使某些部分对电干扰很敏感。通过适当的屏蔽性能和几何设计可以防止干扰。

在几种屏蔽技术中，垂直线技术比其他技术需要的空间更小，可以在狭窄的轨迹上实现细间距。

为了减少裸露金属线的空间，采用了带钢磨削技术来代替激光开槽，这影响了零件与激光开槽表面之间的间隙。

减少X/Y和Z包的大小可以通过现有的组装包技术实现。然而，为了通过高集成度进一步小型化，还必须考虑和解决热释放和可靠性问题。

确认
作者在此向Amkor Technology Korea R&D的工艺开发中心的所有团队成员表示感谢，感谢他们为开发DSMBGA包所做的贡献和热情。

参考文献
1) HeeSung Kim, YoungSuk Kim, TaeKyeong Hwang, Amkor Korea Co.，“DSMBGA开发和风险评估”，DSMBGA的概念和实施历史，Amkor内部文件于2019年3月发布

2) Nozad Karim, Amkor Technology, Inc.，“5G技术的SiP解决方案需要中国SiP 2019”，高级设计规则应用，隔间盾集成SiP，中国SiP大会(2019年9月)

3) Ron Huemoeller公司副总裁，WW研发负责人，sunsoon Park高级总监，研发系统项目“Amkor技术路线图2019-2021”，Amkor内部文件于2019年9月发布

4)《智能手机SiP包市场展望》2019年Yole报告