一、系统级封装（SiP）技术的定义和原理

系统级封装（SiP）技术是通过将多个裸片（Die）及无源器件整合在单个封装体内的集成电路封装技术。根据国际半导体路线组织（ITRS）的定义，SiP为将多个具有不同功能的有源电子元件与可选无源器件，以及诸如MEMS或者光学器件等其他器件优先组装到一起，实现一定功能的单个标准封装件，形成一个系统或者子系统。

从原理上讲，SiP技术在封装过程中涉及多种工艺。例如在长电科技的双面塑封SiP产品制造过程中，SiP封装通常在一块大的基板上进行。首先是无源器件贴片倒装（Flip Chip）贴片，裸片（Die）通过凸点（Bump）与基板互连芯片封装接（正面），这一过程通过控制加温熔化焊料达到器件与基板间的键合，也就是回流焊；接着是焊线键合（Wire Bond），通过细金属线将裸片与基板焊盘连接；然后是塑封（Molding），注入塑封材料包裹和保护裸片及元器件；之后进行裸片与无源器件贴片植球，将球置于基板焊盘上用于电气连接；再进行焊锡回流焊接（反面），同样是通过控制加温熔化焊料达到器件与基板间的键合；再次塑封（Molding）以包裹和保护裸片及器件；之后通过研磨将多余的塑封材料去除，即减薄过程；接着进行BGA植球，进行成品的BGA（球栅阵列封装）植球；最后将整块基板切割为多个SiP成品。

这种封装技术可以帮助芯片成品增加集成度、减小体积并降低功耗。在智慧生活时代，智能芯片对轻便、低功耗的要求越来越高，SiP技术很好地满足了这些需求。它与SoC（片上系统）有所不同，SiC是从设计角度出发，将系统所需组件高度集成到一块芯片上，而SiP是从封装立场出发，采用不同芯片进行并排或叠加的封装方式。并且SiP相对SoC具有灵活度高、集成度高、设计周期短、开发成本低、容易进入等特点。SoC发展面临诸如技术瓶颈高、不同制程整合不易、生产良率低、生产成本高、研发时间过长等问题，而SiP可以避免这些问题，从而得到了广泛的关注和发展。

二、系统级封装（SiP）技术的应用领域

1. 通信领域

• 在无线通信领域，SiP技术的应用最早且最为广泛。随着无线通讯对功能传输效率、噪声控制、体积、重量以及成本等多方面要求的不断提高，促使无线通讯朝着低成本、便携式、多功能和高性能等方向发展，SiP成为理想的解决方案。它综合了现有的芯核资源和半导体生产工艺的优势，能够降低成本，缩短上市时间，同时克服了SOC中诸如工艺兼容、信号混合、噪声干扰、电磁干扰等难度。例如，手机中的射频功放，集成了频功放、功率控制及收发转换开关等功能，完整地在SiP中得到了解决。

2. 移动设备领域

• 现代移动设备如智能手机和平板电脑等，要求轻薄、高性能且功能丰富。SiP技术通过整合多个芯片和无源器件，能够在有限的空间内实现更多功能。比如，将处理器、存储器、传感器等不同功能的元件集成在一个封装内，减少了电路板的面积，同时也降低了功耗，有助于延长移动设备的电池续航时间。

3. 可穿戴设备领域

• 可穿戴设备如智能手表、智能手环等对体积和功耗的要求更为苛刻。SiP技术可以将微小的芯片和传感器集成在一起，满足可穿戴设备的小型化需求。例如，将加速度传感器、心率传感器、蓝牙芯片等集成在一个SiP封装中，使得可穿戴设备能够更加轻便舒适地佩戴在用户身上，并且能够长时间工作而不需要频繁充电。

4. 健康和医疗设备领域

• 在医疗设备中，如便携式血糖仪、血压计等小型医疗设备，SiP技术可以将测量电路、信号处理芯片、数据传输芯片等集成在一起。一方面可以减小设备的体积，方便患者携带和使用；另一方面可以提高设备的稳定性和准确性。此外，在一些植入式医疗设备中，SiP技术也有助于降低设备的体积和功耗，提高设备的安全性和可靠性。

5. 人工智能（AI）领域

• 人工智能设备需要处理大量的数据，对计算能力和功耗有很高的要求。SiP技术可以将AI芯片、内存芯片、传感器等集成在一起，提高数据处理的速度和效率。例如，在一些智能语音助手设备中，将语音识别芯片、处理器芯片、音频处理芯片等集成在一个SiP封装中，可以更快地处理用户的语音指令，并且减少设备的发热量，提高设备的稳定性。

6. 物联网（IoT）领域

• 物联网设备通常需要连接多个传感器和执行器，并且要在低功耗的情况下工作。SiP技术可以将物联网芯片、传感器接口芯片、无线通信芯片等集成在一起，实现设备的智能化和互联互通。例如，在智能家居设备中，将温度传感器、湿度传感器、智能开关芯片、Wi - Fi芯片等集成在一个SiP封装中，可以方便地实现对家居环境的监测和控制。

7. 汽车电子领域

• 在汽车电子系统中，从发动机控制单元到车载娱乐系统等各个部分都可以应用SiP技术。例如，在汽车的高级驾驶辅助系统（ADAS）中，将摄像头传感器、雷达传感器、信号处理芯片、通信芯片等集成在一个SiP封装中，可以提高系统的响应速度和可靠性，同时减小系统的体积和重量，有助于汽车的轻量化设计。

三、系统级封装（SiP）技术的发展历程

1. 早期起源与概念形成

• 随着电子信息技术的发展，电子产品不断向小型化、轻量化、高性能、多功能和低成本的方向发展。在过去几十年里，HIC（混合集成电路）、MCM（多芯片模块）、SOC（片上系统）等技术在微电子领域内起到了重要作用。在这样的背景下，系统级封装（SiP）技术的概念逐渐形成。它是IC产业链中知识、技术和方法相互交融渗透及综合应用的结晶。SiP技术从封装的立场出发，对不同芯片进行并排或叠加的封装方式，将多个具有不同功能的有源电子元件与可选无源器件，以及诸如MEMS或者光学器件等其他器件优先组装到一起，形成一个系统或者子系统。

2. 与传统封装技术的对比与发展契机

• 在封装产业发展历程中，以2000年为节点，可分为传统封装阶段和先进封装阶段。传统封装技术发展又可细分为多个阶段，其技术发展路径为To - DIP - LCC - QFP - BGA - CSP，引脚形状从长引线直插发展到短引线或无引线贴装再到球状凸点焊接，装配方式从通孔封装到表面安装再到直接安装，键合方式从引线连接到焊锡球连接。传统封装在满足电子产品不断发展的需求方面逐渐遇到瓶颈，例如在小型化、多功能集成等方面存在局限。而SiP技术作为先进封装技术的一种，能够满足当今电子产品更轻、更小和更薄的发展需求，因此在传统封装技术发展遇到瓶颈的情况下，SiP技术得到了更多的关注和发展机会。

3. 从配角到主角：SiP技术的逐步重视

• 从封装发展的角度来看，早期SoC曾经被确立为未来电子产品设计的关键与发展方向。然而，随着近年来SoC生产成本越来越高，并且频频遭遇技术障碍，如CMOS、DRAM、GaAs、SiGe等不同制程整合不易、生产良率低等技术挑战尚待克服，SoC的发展面临瓶颈。而SiP技术具有开发周期短、功能更多、功耗更低、性能更优良、成本价格更低、体积更小、质量更轻等优点，使得SiP的发展越来越被业界重视，逐渐从一个相对配角的地位走向封装技术发展的前沿，成为实现超越摩尔定律的重要路径，在微电子和电子制造领域具有广阔的应用市场和发展前景。

四、系统级封装（SiP）技术的最新研究成果

1. 异构集成的深化研究

• 在SiP技术中，异构集成是一个重要的研究方向。研究人员正在不断探索如何更好地将不同功能、不同制程的芯片和器件集成在一起。例如，将基于不同材料（如硅、砷化镓等）的芯片集成在一个SiP封装内，以实现更广泛的功能。这需要解决不同材料之间的兼容性、信号传输等问题。通过改进互连技术，如开发新的键合工艺和材料，来提高异构集成的性能和可靠性。一些研究机构正在研究新型的倒装焊技术，通过优化凸点的设计和键合工艺参数，实现更高密度的芯片互连，从而提高SiP封装的集成度和性能。

2. 提高集成度与小型化

• 最新的研究致力于进一步提高SiP的集成度并实现更小的封装尺寸。一方面，研究人员在探索如何在有限的封装空间内集成更多的功能元件，如将更多的传感器、处理器和存储器集成在一起。这涉及到芯片的小型化制造技术、封装结构的优化等方面。例如，通过采用新的芯片堆叠技术，将多个裸片垂直堆叠，减少水平占用空间。另一方面，研究在不断降低SiP封装的整体厚度，以满足如可穿戴设备等对厚度有严格要求的应用场景。一些企业正在尝试使用超薄的基板材料和新型的塑封材料，在保证封装可靠性的前提下，实现更薄的SiP封装。

3. 性能优化与功耗降低

• 在性能优化方面，研究集中在提高信号传输速度和降低信号干扰。通过改进封装内部的布线结构，采用低介电常数的材料作为绝缘层，可以减少信号传输延迟。同时，研究如何更好地屏蔽电磁干扰，例如开发新的电磁屏蔽材料和结构，将其集成到SiP封装中。在功耗降低方面，研究人员正在探索新的电源管理技术在SiP中的应用。通过优化芯片的工作电压和电流分配，结合低功耗的芯片设计技术，可以显著降低SiP封装的整体功耗。例如，一些研究在SiP中采用智能电源管理芯片，根据不同的工作模式自动调整电源供应，提高能源利用效率。

五、系统级封装（SiP）技术的未来趋势

1. 模块化发展趋势

• SiP技术将朝着模块化方向发展。这意味着将形成一系列标准化的SiP模块，每个模块都具有特定的功能，如通信模块、传感器模块、电源管理模块等。这些模块可以像积木一样被灵活地组合和集成到不同的电子产品中。对于制造商来说，这将大大缩短产品的开发周期，因为他们可以直接选用现有的SiP模块进行组装，而不需要从头开始设计和封装。例如，在物联网设备的开发中，可以直接使用现有的传感器SiP模块、通信SiP模块和处理SiP模块进行组合，快速实现产品的功能。同时，模块化的SiP技术也有助于提高产品的可维护性，当某个模块出现故障时，可以方便地进行更换，而不需要对整个产品进行拆解和维修。

2. 与新兴技术的融合

• SiP技术将与新兴技术不断融合。在人工智能领域，随着AI算法的不断发展和对计算能力需求的提高，SiP技术将与AI芯片技术紧密结合，实现更高效的AI计算。例如，将专门的AI加速器芯片与其他相关芯片集成在一个SiP封装中，提高人工智能设备的性能。在5G通信技术方面，SiP技术将与5G射频芯片、毫米波技术等融合，满足5G通信对高速率、低延迟和高集成度的要求。此外，SiP技术还将与量子技术、生物技术等新兴技术进行探索性的融合，开拓新的应用领域，如量子计算芯片的封装和生物传感器的集成封装等。

3. 在更多领域的拓展应用

• 除了目前已经广泛应用的通信、移动设备、可穿戴设备等领域，SiP技术将在更多领域得到拓展应用。在航空航天领域，由于对设备的体积、重量和可靠性有极高的要求，SiP技术可以将各种航空电子设备的芯片集成在一起，提高设备的性能和可靠性，同时减轻重量。在工业自动化领域，SiP技术可以将传感器、控制器和通信芯片集成在一个封装内，用于工业物联网（IIoT）设备，实现更高效的工业自动化控制。在能源领域，例如在智能电网设备中，SiP技术可以集成电力监测芯片、通信芯片和控制芯片等，提高智能电网的运行效率和管理水平。

系统级封装（SiP）技术-先进芯片封装清洗介绍

·         合明科技研发的水基清洗剂配合合适的清洗工艺能为芯片封装前提供洁净的界面条件。

·         水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

·         污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

·         这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

·         合明科技运用自身原创的产品技术，满足芯片封装工艺制程清洗的高难度技术要求，打破国外厂商在行业中的垄断地位，为芯片封装材料全面国产自主提供强有力的支持。