堆棧封裝技術(shù)是微電子組裝技術(shù)向著輕、薄、小發(fā)展的必然產(chǎn)物。堆棧封裝包括封裝內(nèi)封裝（PiP）、芯片級(jí)封裝（SoC）、系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）和封裝級(jí)系統(tǒng)（SoP）等。而本文通過(guò)將SiP與SoP進(jìn)行比較，重點(diǎn)論述美國(guó)Georgia Tech公司的封裝實(shí)驗(yàn)中心（PRC）開(kāi)發(fā)研制的SoP技術(shù)。SiP是SoP的子系統(tǒng)。SoP通過(guò)采用埋置的薄膜RF、光學(xué)數(shù)字和敏感組件的系統(tǒng)封裝IC協(xié)同設(shè)計(jì)使單封裝實(shí)現(xiàn)了多功能系統(tǒng)的目標(biāo)，并使組件密度達(dá)到2,500/cm2以上。采用這種系統(tǒng)集成的新方法，不僅可以實(shí)現(xiàn)小型化，而且還降低了成本和提高了性能及系統(tǒng)的可靠性。

SoP之概念

SoP概念絕不僅僅局限于把多塊芯片放在封裝內(nèi)，就像IBM大約在20年前的陶瓷多芯片模塊（MCM）那樣，SoP問(wèn)世之前，IBM的MCM是集成度最高的封裝，使用銅線連接集成電路，但它不像SoP，沒(méi)有嵌入薄膜組件，所以需要系統(tǒng)板。SoP也不同于單封裝系統(tǒng)（SiP），SiP是大多數(shù)集成電路、封裝和移動(dòng)電話公司采用的另一種微型化技術(shù)。如果用SiP方法，裸露或者是封裝的集成電路芯片通過(guò)三維排列方式相互堆棧。但SiP只能解決10%的系統(tǒng)問(wèn)題，沒(méi)有顧及體積龐大的無(wú)源組件這一問(wèn)題。MCM或者SiP仍需接入到傳統(tǒng)的系統(tǒng)板上。

封裝的方法已從傳統(tǒng)的分立組件的互連轉(zhuǎn)變?yōu)楸∧そM件集成。最初這種技術(shù)是在1993年由Georgia Tech公司開(kāi)發(fā)出來(lái)的，現(xiàn)在這種技術(shù)在SiP模塊中和在SoP板中的CMOS的IC上隨意就能見(jiàn)到，其被作為一種覆蓋層。封裝級(jí)系統(tǒng)（SoP）是一種采用這種封裝集成的系統(tǒng)理念，與SiP比較，就是模塊化理念。SoP是一種系統(tǒng)中樞技術(shù)，這種技術(shù)是基于在有機(jī)板或封裝中埋置薄膜組件，并與SiP模塊、SoC器件和電池以及用戶界面共同在短期內(nèi)形成多功能系統(tǒng)和在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中的兆功能系統(tǒng)。其力圖將各種不同的技術(shù)集成，使單封裝實(shí)現(xiàn)多功能系統(tǒng)，同時(shí)，達(dá)到超小型的條件。這是與SiP的對(duì)比，這種比較是以IC為中心，并以CMOS芯片及其以裸芯片的形式或封裝的芯片形式實(shí)施3D堆棧形成模塊作為開(kāi)始。因此，SiP是SoP的子系統(tǒng)。SoP通過(guò)采用埋置的薄膜RF、光學(xué)數(shù)字和敏感組件的系統(tǒng)封裝IC協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)這一目的，使組件密度達(dá)到2,500/cm2以上。

像SoC、MCM和SiP這樣可替代的方法是根據(jù)CMOS的系統(tǒng)功能和封裝的布線而定的。在這些方法中封裝的作用與過(guò)去采用的方法相同，即使IC或組件形成互連。CMOS適用于晶體管等元器性和其它一些VCO和LNA這樣的組件，不過(guò)，對(duì)于像電容、電感、濾波器、天線和光學(xué)波導(dǎo)管這樣的其它幾類功能組件不是最佳的平臺(tái)。SoP范例在克服SoC和SiP的基本限制中而又采取的一個(gè)步驟，并成為系統(tǒng)集成的一個(gè)新定律。這一理念不僅可以實(shí)現(xiàn)小型化，而且還降低了成本和提高了性能及系統(tǒng)的可靠性。

此外，可與即將問(wèn)世的收斂計(jì)算、生物配伍、通訊和客戶系統(tǒng)趨勢(shì)保持一致�？蓪oP描述為“封裝就是系統(tǒng)，而不是笨重的板子。”需強(qiáng)調(diào)的是，應(yīng)意識(shí)到這種高集成度的功能封裝的幾個(gè)障礙和競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。圖2所示是Georgia Tech公司的封裝實(shí)驗(yàn)中心（PRC）的研究重點(diǎn)，通過(guò)混合信號(hào)設(shè)計(jì)、多功能制造和RF集成、光學(xué)、數(shù)字和敏感組件、混合信號(hào)測(cè)試和混合的可靠性來(lái)說(shuō)明這些障礙。
 
 
應(yīng)用于計(jì)算系統(tǒng)的SoP集成

在信號(hào)和功率完整性、EMI和具有超低損耗材料特性的超細(xì)間距封裝中，新的和先進(jìn)的系統(tǒng)集成理念可使封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)多千兆位數(shù)據(jù)傳輸，從而構(gòu)成了新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。PRC為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，將數(shù)字系統(tǒng)集成重點(diǎn)放在先進(jìn)的介電材料、導(dǎo)體和埋置的電容材料，包括像BCB、A-PPE這樣的薄形、低損耗介電材料、使用10-15μm堆棧的微導(dǎo)通孔結(jié)構(gòu)的50-100μm間距逸出布局和5-10μm超細(xì)線和新的低CTE、多模塊和大面積復(fù)合基板來(lái)替代傳統(tǒng)的有機(jī)基板。對(duì)于將來(lái)高速處理機(jī)在較低的操作電壓下的較小噪音容差是以寬帶帶上的低阻抗功率（<0.5mΩ）為條件的。在高頻下，盡可能將去耦電容緊密置位，以便使負(fù)載器件快速轉(zhuǎn)換，這是很重要的。

當(dāng)前電子工業(yè)的主要表面組裝組件在幾百M(fèi)Hz以上的高頻去耦是笨拙不適用的，因?yàn)槠潆姼羞^(guò)大。芯片上薄氧化層的去耦電感最低，不過(guò)，占據(jù)了硅的最有價(jià)值的實(shí)用面積。90年代中期，PRC率先在高K的封裝內(nèi)實(shí)施了埋置的去耦和在封裝內(nèi)應(yīng)用了薄納米復(fù)合介電材料。對(duì)于較高電容密度，無(wú)機(jī)薄膜與有機(jī)封裝的集成呈上升的趨勢(shì)。通常，高K、高電容密度陶瓷膜是采用高溫工藝或成本昂貴的真空技術(shù)沉積的，這些技術(shù)不僅成本高，而且與有機(jī)封裝不兼容。所以，低成本的化學(xué)溶液的方法引人入勝。

應(yīng)用于無(wú)線通訊系統(tǒng)的SoP

對(duì)于數(shù)據(jù)、音頻和視頻的越來(lái)越高的速率需求推動(dòng)著RF技術(shù)向著更高頻率發(fā)展。像個(gè)人通訊網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)（WLAN）和RF光學(xué)網(wǎng)絡(luò)這樣的萌芽高性能應(yīng)用提出了苛刻的技術(shù)規(guī)范，以往在這些應(yīng)用中從沒(méi)有對(duì)噪聲、線性、功率損耗、尺寸、重量和成本這樣重視。Si無(wú)線集成的限制得到了SoP的良好處理。像電容、濾波器、開(kāi)關(guān)和高頻及高Q電感這樣的RF組件最好是在封裝上制造，而不是在硅上制造。多數(shù)有機(jī)材料在高頻下?lián)p耗就會(huì)提高，這樣就使得形成高性能、低成本mm波（mm-wave）前端極為困難。例如：FR-4的高損耗達(dá)到10 GHz以上，這是眾所周知的。由于設(shè)計(jì)規(guī)則和集成能力，當(dāng)前的RF組件集成只限于厚膜LTCC和LCP封裝。

最好是采用像LCP和BCB這樣的超低損耗、薄的介電材料來(lái)處理低成本有機(jī)平臺(tái)的高密度組件集成。嚴(yán)格的熱穩(wěn)定性要求（TCC和TCR<20ppm/℃）和介電材料的超低損耗將對(duì)無(wú)源組件材料的選擇限制在很少的系統(tǒng)范圍。板上的電阻占無(wú)源組件的50%。在低電阻率范圍埋置的電阻的候選材料有NiCr, CrSi, Ni-P和 TaN 膜，而聚合物厚膜在較高電阻率應(yīng)用需求方面看來(lái)仍可謂是佼佼者。對(duì)于像TaN晶體管和Ta2O5電容這樣的各種薄膜無(wú)源組件的埋置RF功能已進(jìn)行了說(shuō)明。高Q芯片上電感是很難進(jìn)行嵌入的，因?yàn)楸∧そ殡姴牧系母呒纳娙�、高�?dǎo)體電阻及有損基板。雖然，涌現(xiàn)出的幾種半導(dǎo)體和MEMS封裝技術(shù)可以改善on-Si電感的Q，但是，據(jù)報(bào)導(dǎo)，最大的Q系數(shù)要比在封裝中獲得的250-500低得多。直接在封裝上安置天線的優(yōu)點(diǎn)是可降低饋送器損耗和整個(gè)模塊的尺寸。

多功能系統(tǒng)

新的應(yīng)用領(lǐng)域呼吁更高的數(shù)據(jù)處理速度和計(jì)算能力，使得通訊和計(jì)算能力合并。當(dāng)今主要應(yīng)用于底板和用于高速板互連的光電子技術(shù)正向著封裝的方向發(fā)展，作為芯片與芯片、替代銅的高速互連，因此，特別注重電子IC的電阻和串?dāng)_的問(wèn)題。光電子SoP的重點(diǎn)是像激光、探測(cè)器數(shù)組、激光放大器這樣的光學(xué)有源器件和像波導(dǎo)管、光柵和在電子互連混合信號(hào)SoP 上的光束分離器這樣的光學(xué)無(wú)源組件器件的非均質(zhì)集成。

具有RF/數(shù)字/光學(xué)集成的SoP的瞬時(shí)應(yīng)用是一種小型化的單獨(dú)封裝，其可以支持計(jì)算、無(wú)線和客戶功能。由于SoP還包括MEMS基傳感器，除了數(shù)字和RF功能集成在一個(gè)微小型的封裝中之外，你可以看到像用SoP技術(shù)制成的“電子藥丸”這樣的高集成度的多功能系統(tǒng)，其可以用于日常的感應(yīng)、監(jiān)控和分析人體全身各部位的功能，同時(shí)，還可對(duì)此信息進(jìn)行無(wú)線通訊溝通，并通過(guò)局域網(wǎng)和衛(wèi)星RF將這些信息發(fā)射到世界的任一地點(diǎn)。

SoP的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣

還記得集成相機(jī)和移動(dòng)電話這一大膽之舉嗎？或者把移動(dòng)電話功能添加到PDA？這種方法依賴的就是摩爾定律：集成電路上晶體管的數(shù)量每隔18個(gè)月就翻一番。在計(jì)算領(lǐng)域，芯片上更多的晶體管數(shù)量意味著速度更快、功能更多。不過(guò)，在許多情況下，按照摩爾定律的這些集成電路只占系統(tǒng)的10%，其它的90%仍沒(méi)有微型化，體現(xiàn)在一系列體積龐大的分立組件，例如；電阻器、電容器，電感、天線、濾波器和開(kāi)關(guān)，都是通過(guò)一兩塊印制電路板實(shí)現(xiàn)互連。真正的微型化需要更多的技術(shù)，目前部分公司采用的系統(tǒng)級(jí)封裝SoP（System on Package）方法就是這樣一項(xiàng)技術(shù)。

到目前為止，SoP的發(fā)展步伐遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了摩爾定律。它把集成電路與微米級(jí)薄膜形式的分立組件結(jié)合起來(lái)。把組件嵌入到一種新的封裝中，采用這種小封裝組件的手持設(shè)備最終將會(huì)成為具有超多功能的設(shè)備。開(kāi)發(fā)的SoP產(chǎn)品將不單單適用于無(wú)線通信、計(jì)算和娛樂(lè)等應(yīng)用領(lǐng)域，配備傳感組件的SoP可以用來(lái)檢測(cè)各種無(wú)害和有害物質(zhì)，包括環(huán)境、食物和人體中的化學(xué)物質(zhì)。

還有一種應(yīng)用會(huì)融合生物、化學(xué)和數(shù)字技術(shù)，生成足夠小的膠囊，可以引入監(jiān)測(cè)個(gè)人的健康狀況。膠囊可以用來(lái)檢查生命體征、監(jiān)測(cè)一系列參數(shù)，例如；葡萄糖含量、血壓，乃至癌癥征兆。然后，膠囊以無(wú)線方式把病人的健康狀況發(fā)送給體外的Web終端，或者通過(guò)因特網(wǎng)發(fā)送給醫(yī)生（或者任何地方的任何人），并可以按即定的時(shí)間間隔把藥送到人體內(nèi)的特定部位。

置于人體內(nèi)的這種微型膠囊顯然是一種頗有前景的產(chǎn)品，預(yù)計(jì)還會(huì)出現(xiàn)其它的許多產(chǎn)品。設(shè)想一下家庭娛樂(lè)和控制中心中的這類產(chǎn)品，其集語(yǔ)音、視頻、數(shù)據(jù)、感測(cè)和控制等功能于一體。它可能包括家用電話、移動(dòng)電話、娛樂(lè)及其它傳感組件、健康監(jiān)測(cè)設(shè)備、衛(wèi)星電視接收器等裝置。無(wú)線寬帶連接可以把系統(tǒng)連接到因特網(wǎng)，這個(gè)中心就可以充當(dāng)家里所有電器的遙控器。更令人驚嘆的是它只有信用卡那么小。

全新的系統(tǒng)集成方案

用微米級(jí)組件做成的超多功能SoP部件可能只有英特爾奔騰處理器那樣大，位于3.5厘米邊長(zhǎng)的扁平集成電路上。而采用納米技術(shù)做成的SoP其邊長(zhǎng)只有一毫米大小。SoP產(chǎn)品會(huì)達(dá)到這么小的尺寸，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)針對(duì)的是系統(tǒng)中90%沒(méi)有集成的部分。

SoP技術(shù)對(duì)系統(tǒng)采用了全然不同的方案。它縮小了體積龐大的電路板連同許多組件的尺寸，從而使它們幾乎不占用空間。實(shí)際上，SoP為系統(tǒng)集成提出了一個(gè)新定律：隨著組件尺寸縮小，電路板幾乎消失，組件密度每過(guò)一年左右就會(huì)翻一番，SoP封裝具有的系統(tǒng)功能也會(huì)以同樣幅度增長(zhǎng)。因而，SoP技術(shù)在系統(tǒng)微型化方面的效果遠(yuǎn)勝于摩爾定律，因?yàn)槟柖舍槍?duì)的只是集成電路內(nèi)的晶體管。

大幅度地縮小了組件占用的空間是SoP發(fā)展的神圣使命。如果進(jìn)展順利，產(chǎn)品尺寸縮小的幅度不是現(xiàn)在通常預(yù)計(jì)的每幾年縮小10倍，而將會(huì)是縮小幾百倍、甚至幾千倍。

如今，全世界的研究人員都在使用SoP，用新穎、獨(dú)特、經(jīng)濟(jì)的方式結(jié)合不同技術(shù)。大家都在研究數(shù)字、仿真、射頻甚至光電路以及諸多傳感組件，從而獲得超小尺寸的產(chǎn)品。

到2010年，將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)超越摩爾定律的趨勢(shì)，即微電子組裝行業(yè)將專注于系統(tǒng)級(jí)集成，而不是晶體管密度，其將帶來(lái)革命性的超多功能的電子器件。我們將堆棧封裝技術(shù)稱之為第四次革命，那么，超越摩爾定律的趨勢(shì)可謂是第五次微電子組裝的革命。