SOP在電子技術中的應用

SOP在電子技術中的應用

SOP是一種新興的系統級封裝技術。該技術強調了封裝的不是板而是系統。多芯片模塊、系統級芯片、系統封裝SIP和傳統系統封裝在計算和集成上的限制在SOP上得到了很好的解決。文章簡述了SOP在電子技術中的應用、面臨的挑戰和發展前景。

隨著電子技術的快速發展，市場上各種電子產品往小型化甚至微型化發展，集成電路的集成度越來越高、功耗越來越低、體積越來越小、單位體積內的容量越來越大。這種現狀要求半導體芯片能集成更多不同類型的元器件，要集成更多不同類型的元器件就必須在封裝的技術上有很大的突破。

在半導體電子元件的發展中，起著不可替代的組成部分就是半導體元器件的封裝技術。封裝技術的好壞直接影響到半導體元器件的產品性能、封裝結構復雜程度、成品的頻率、耗散、數據傳輸的可靠性以及生產成本等等。每個階段的封裝技術的優良與否和當時的IC技術是同步發展的。封裝技術從20世紀70年代發展到21世紀初，已經有了極大的提高。封裝技術的快速進步直接影響IC的質量和生產效率。經過這么多年的發展，封裝的效率已經從開始的2%（DIP）、5%（QFP）發展到現在的80%（SOP）。

今天的電子技術發展的非?？欤阅壳暗姆庋b技術還是不能滿足電子產品往微型化發展的目標。目前，SOP封裝技術可以在一定范圍內滿足電子產品發展的需求。相信這種封裝技術將會發展為一種成熟的、普及的封裝技術。

發展中的封裝技術

技術使生活更加美好，隨著人們生活水平的不斷提高，電子產品已經成為生活中不可或缺的工具。網絡技術、通信技術等相關技術的飛速發展以及這些技術與生活的不斷結合，從而促使技術的發展速度。模擬電子、數字電子、信號處理器、存儲器以及各種不同規模的集成電路都得到了長足的發展。人們通過這些技術設計出的電子系統同樣也具有多種多樣的特性：

頻率混合特性：高速數字組件到幾百GHz 的微波/射頻組件；

技術混合特性：數字電子技術、模擬電子技術、射頻技術以及嵌入技術相結合；

信號混合特性：高速電子信號和低噪聲放大反饋電路相結合；

結構混合特性：規則結構封裝和無規則結構封裝相結合；

設計混合特性：功能電子設計和基于物理散熱設計的相結合。

系統級芯片介紹

SOC 的特點是：是在單個芯片上集成的一套完整系統。該系統級芯片的功能是在這塊芯片上完成數據轉換、數據采集、數據存取等一系列功能。這種集成技術作為集成電路技術研發史上的一個巨大突破而得到追捧。將系統級芯片和單一功能芯片做對比，其優點將得到以下結論：

電子功能有所提高：單一芯片的功能是唯一的，而系統級芯片將各種單一芯片的功能（鎖相環功能、震蕩功能、調制解調功能、變相功能以及直流斬波功能等等）集成到一塊芯片上；

提高了芯片的性能指標：系統級芯片的性能比單一功能芯片的性能更加穩定，是因為在設計的時候就已經從整個系統來考慮問題了。

多芯片模塊介紹

所謂多芯片模塊（MCM），是將各種不同功能的組件進行互聯。通常的做法是在基板上對多只KGD封裝進行多層連接，之后將一些功能器件連接到上面多功能芯片組。在設計之初，為了將裸芯片做成陶瓷封裝才研發了MCM，因為在之前的技術上無法再硅晶片上批量生產芯片。

通常我們使用專門的材料給芯片的機械架構提供支撐，同時在工藝中使用裸線將高性能集成電路與MCM 進行多層之間的連接。MCM 的優點是：體積小、性能高、具有很好的兼容性以及可以提供非?？煽康臄祿臻g。按基板裝配的不同可以將MCM分為四類：共燒型、疊層型、淀積型和混合型。

系統封裝SIP

還有一種先進的封裝技術是SIP，該封裝的特點是：將芯片進行堆疊，從而降低它的形成因子。這種封裝可以將多種集成電路甚至多種分立元件集中到一個組件上。與其他封裝比較，SIP 封裝技術具有的優點是：

可以在一個較小的封裝內集成多種功能不同的裸片，這樣就避免了封裝冗余；其次，封裝在一個外殼下可以使集成電路之間的間距減小，方便了互連；最后，采用堆疊封裝技術，可以提高封裝密度，節省材料，減少成本。

系統級封裝SOP

根據系統集成的莫爾理論，SOP是一種比MCM封裝技術和SIP封裝技術更加先進的封裝技術。這種封裝技術強調的是系統集成而不僅僅是板的集成。相比于SIP封裝、SOC封裝、MCM封裝而言，SOP封裝將之前僅局限于CMOS處理的缺點進行了優化和改良，克服了以上幾種封裝技術的局限性和缺點。更由于其低成本、高性能、微尺寸等優點而成為了集成電路的最佳技術。

圖1 SOP、SOC、SIP、MCM和3D封裝對比

圖2 SOP薄膜3D組件集成示意圖

SOP封裝技術概述及發展前景

SOP封裝技術是一種新型微小系統集成技術。早在1994年美國國家科學基金就對國內的研究學者進行資助，讓這些學者研究SOP封裝技術。研究者們起初將射頻芯片、光學組件用薄膜進行封裝，并取得了很好的成果。如今的SOP研究基本上都是基于以前的研究成果。

SOP的發展歷史

SOP封裝技術的特點是一種系統聚合。例如：音頻聚合就是把計算機技術、電信技術和多媒體技術進行系統聚合。這種系統聚合的技術有非常廣闊的應用前景，我們所看到的視頻蜂窩電話就是系統聚合的應用實例。SOP封裝技術要求對IC的封裝進行系統設計，以達最好的芯片封裝集成效果。人們追求的多功能、微型化、跌成本的目標都是一切封裝技術所追求的目標。如圖1所示，SOC 在IC集成領域是最佳的方案，SIP在芯片的堆疊領域是最佳的解決方案，MCM和3D封裝在封裝集成領域是最佳的解決方案，而SOP封裝技術在系統集成領域是別的封裝技術無法替代的。

SOP之所以比MCM封裝技術更加先進和實用，是因為SOP 封裝技術采用了先進的工藝和新型的結構化設計方法。在整體解決方案中，對封裝基板和芯片進行了嚴謹的對照，依據性能最優、成本最低的設計方法來實施。所以，在系統級封裝領域內是最好的解決方案。

SOC之所以不能和SOP一爭高下，是因為SOC存在很多技術上的壁壘。比如：規格結構的難以統一、數字模擬量的難以集成等因素都是其致命的弱點。而這些技術上存在的問題在SOP這里卻得到了很好的解決。

在嵌入組件這方面，SIP 雖然可以實現。但由于在sip中嵌入的組件體積大和離散性使得人們難以接受。SOP不僅能嵌入有源和無源組件，而且可以減小封裝體積增大組件密度。這一優點使得SOP技術優先于SIP技術。

SOP 面臨的挑戰

SOP 是一種系統級集成，是由薄膜組件集成的微小型系統。SOP 封裝技術的特點是：設計結構簡單、成本低、功能集成度高、電特性好等。如下圖2所示。SOP 是將單一功能的芯片進行功能化集成，優化單一芯片的功能。集成規格由微米級向納米級靠近。SOP和傳統的封裝技術相比具有很多優點，但是也存在著一些挑戰。

結構設計上存在的挑戰

隨著電子技術的發展，射頻前端、模擬電子、數字電子等芯片的集成度會越來越高。在這種高密度集成系統中，需要注意的問題就是電磁兼容和電磁干擾所帶來的影響。在單純的高速數字系統中，若要保證信號的完整性則具有很高的挑戰性。通常在設計工具上我們應當遵循以下規則：使用不同的CAD工具和方法分別對芯片的設計及封裝進行設計，在高速信號系統中，IO的特性將對系統產生影響。

（2）技術上存在的挑戰

低寄生和精密互連：為了保證互連的帶寬，我們要注意寄生電容和寄生電感所帶來的影響。

功率消耗和熱可靠性：封裝尺寸的微小化，直接導致集成密度的上升。如何保證功耗的水平和溫度的控制是一個技術性的挑戰。

基板的高密度互連：當把不同的單一功能的芯片集成到SOP上時，縮小了系統的尺寸和基板的尺寸，要考慮互連基板的密度。

SOP的發展展望

隨著電子技術的快速發展，市場上各種電子產品往小型化甚至微型化發展，集成電路的集成度越來越高、功耗越來越低、體積越來越小、單位體積內的容量越來越大。這種現狀要求半導體芯片能集成更多不同類型的元器件，要集成更多不同類型的元器件就必須在封裝的技術上有很大的突破。而SOP封裝技術所具有的特點是其他封裝技術所不能比擬的，在未來的封裝技術中，SOP將成為一種具有代表性的封裝技術。

結束語

現代生活季度依賴于電子科技技術。隨著人們生活水平的提高，對電子產品的要求也會越來越高。小體積、多功能、續航時間長等等性能都是對電子產品的考驗。對于這些要求將直接影響封裝技術的發展。SOP作為系統級集成，它不是板級集成，也不是單一的芯片集成，是在很小的薄膜封裝內集成了一個系統，這個系統將滿足小體積、多功能、續航時間長等一系列要求。因此我們可以預測，SOP封裝技術將在封裝領域中得到廣泛應用。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.19.009