系统级封装技术研究及实现

耶菲++张军++芦彩香

摘要：系统级封装（System in Package， SiP）已经成为重要的先进封装和系统集成技术，是未来电子产品小型化和多功能化的重要技术路线，重点关注嵌入式系统SiP 技术的发展，采用SiP技术对某型基板进行设计实现，对设计流程和关键技术进行了介绍，成功实现了该产品的SiP设计。

关键词：系统级封装；嵌入式领域；基板

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）11-0094-03

Research and Implementation of System in Package Technology

YE Fei， ZHANG Jun， LU Cai-xiang

（Xian Aeronautics Computing Technique Research Institute，AVIC， Xian 710068，China）

Abstract： System in Package （SiP） has become one of the most important advanced assembly and integrated technology. It is important technology roadmap of miniaturization and multi-function of electronic products in future. this article focus on the research and development on SiP technology by embedded system.Using SiP technology for a certain type of substrate in the design and Realization of the design process and key technology introduced in this paper， the successful implementation of the SiP design of the product.

Key words： System in Package（SiP）；embedded system； substrate

随着电子设备和产品朝着小型化、高频化、多功能和高性能方向不断发展，SiP越来越受到人们的重视。SiP （System in Package， 系统级封装）是指在一个封装中集成一个系统，通常是将多个具有不同功能的有源组件、无源组件等封装在一个壳体内，组装成为可以提供多种功能的单一标准封装件，形成一个系统或者子系统。相较于SoC（System on Chip），SiP可以将不同时期工艺的IC集成在一起，可以将有源及无源器件同时放在一个封装内。其优点在于体积更小，质量更轻，相较于SoC开发周期短，功能更多。

1 SiP技术研究

SiP技术功能可定制、体积小、功耗低和重量轻的特点适应了嵌入式系统的发展需求， 在嵌入式领域获得了越来越多的关注和应用。

图1为SiP内部结构框图，该SiP以FPGA和处理器为核心，处理器实现系统资源管理和调度，FPGA实现系统控制并完成D/A，A/D接口转换以及离散量接口。本文运用先进的设计工具实现该SiP。

图1 SiP内部结构

2 设计实现

SiP设计主要包括封装选择、建立中心库、布局、Co-Design设计、SI/PI/热仿真/强度仿真、引线键合、布线、DRC检查、生产设计输出等，本文将对各个环节进行介绍，并与传统的PCB设计进行比较，重点突出SiP的设计理念和优点。

图2 SiP设计流程

2.1 封装选择

常见的封装材料有塑封、陶瓷封装等，其优缺点比较如下：

表1 材料选型对比

SiP常选用的管脚排布形式：SOP、PLCC、QFP、QFN、PGA、BGA、CGA、SPGA等。

图2 封装示意图

在设计中封装的选择原则如下：对于体积小、引出管脚少的设计推荐选用SOP、PLCC、QFP、QFN等封装；对于体积大、引脚数量多的设计推荐选用PGA、BGA、CGA、SPGA等封装。

封装材料对于管脚排布形式也有很大影响，其中散热及热膨胀系数都是必须考虑的因素。由于塑料封装散热性差，在设计封装时如果需要通过印制板散热就需要设计专门的散热焊盘，或是通过增加大量电源/地管脚的排布达到将热量通过管脚传导到印制板上散热的效果，不可以单一考虑电性能设计，减少电源/地管脚的数量。陶瓷材料的封装热膨胀系数与PCB材料相差较大，这会导致封装尺寸较大时，在封装的边角上会产生较大的热应力，在选取封装时尽量选取焊接后器件体抬高较高的封装类型。如不选用PLCC、QFN这种基本不抬高的封装；谨慎选用SOP 、BGA这种抬高有限的封装，即便选用应考虑管脚成型，应力释放等问题（如加应力环、选用高铅非塌陷型焊球）；尽量选用CGA （柱形数组）、SPGA（短针数组）这种抬高较高的封装形式。但是最根本解决这种热应力的方式仍然是在热设计及管脚数量允许的情况下选择较小尺寸的封装形式，或是在不要求气密性等条件时直接选用塑料封装。

2.2 中心库的建立

中心库是SiP设计中最基础的资源之一，和传统的PCB设计一样也分为逻辑符号的建立和Cell的建立，将两部分连接起来才是一个完整的中心库，一般库的建立要在原理设计之前完成，以提供逻辑符号支持原理设计。Cell是用于基板PCB设计，本文仅针对Cell建立进行介绍。

SiP设计中的cell分为两种形式，一种是用于直接焊接的：如外围封装的底座、分离器件封装、倒装器件焊盘等。这一类Cell的特点是放置后直接出现在SiP基板上。另一类为裸芯的DIE PAD，这些专指裸芯片通过键合线连接到基板上的PAD，其特点是需要在SiP基板上定位，但是却不在SiP基板上拥有实际的焊盘，他们通过金线键合与SiP基板互联。对于第一类焊盘的设计其设计形式与PCB中封装焊盘的设计一致，需要考虑焊盘大小、阻焊大小、焊盘定位、器件外框等。对于第二类cell其设计方式相对简单，仅需要考虑焊盘的大小、定位、器件框体等就可以，无需对焊盘进行分层设计，但SiP中的cell与PCB中的cell有些不同，除了尺寸较小外其PAD的排列也成不规则状，不论是键合形式的还是倒装形式的都不同于PCB中cell管脚整齐划一的排列方式，针对此类管脚一般设计软件都会提供通过管脚坐标表格统一导入定位的创建方式简化设计，避免出错。在SiP的cell设计时，有些小型的键合型裸芯其提供的数据没有DIE PAD的明确定位信息，此类可以根据DIE PAD的大概位置放置焊盘，在SiP封装键合环节，厂家会根据实际器件裸芯自动键合。

2.3 布局

在SiP基板的布局区别于传统的PCB设计，它是一种三维设计，布局的模式可以选用普通的平铺模式、堆栈模式、腔体模式等。

图3 SiP三维设计图

同时在布局环节就需要加入SI、PI、热设计等仿真或评估结论。如功率较大的裸芯应在布局时就考虑其散热路径，应避免堆栈；对于具有高速信号的裸芯应考虑其高速信号通路布局。对于电源完整性在这个环节尤为重要，对于大电流芯片应为其设计良好的电流通路，还有PI交流模拟，由于SiP基板上直接放置的是裸芯，如果在SiP基板上放置电容可以说电容与裸芯零距离，可以达到在PCB上放置电容无法达到的效果，但是SiP设计通常由于尺寸限制其面积十分有限怎样才可以在最小的面积上达到最好的效果，这就需要在这个阶段就针对电源进行PI交流模拟解决两个问题，去耦电容的容量选取以及电容分布。如果在这个环节中可以充分考虑电源完整性问题，将为SiP整体性能的提升起到很大的作用。

2.4 Co-Design设计

相较于PCB的设计，这是SiP中特有的一个环节。它是指在封装设计时的输出管脚信号定义。封装设计是SiP设计与PCB设计的桥梁，Co-Design过程需要综合考虑信号由SiP内部到PCB板上所面临的信号完整性问题、电源完整性、热设计、封装应力以及下游工程师的可用性。因此需要在设计时把封装及PCB一起评估避免下游出问题时影响到前面设计，造成较大的改动。主要包括优化I/O的摆放位置使设计层数最少，根据封装信号分配分析PCB的可布线性，由PCB的可布线性定好重要信号线与模拟线或是高速差分线的引脚分配，封装热设计、应力设计符合要求。

2.5 引线键合

引线键合（Wire Bonding）是指通过引线将裸芯片管脚、基板上的焊盘和布线等用电器方法连接起来，Wire Bonding设计的合理性和准确性对产品的成品率和可靠性至关重要。因为引线（Bond Wire）本身是一个三维的设计元素，所以其模型的定义和规则管理也需要时三维的。键合线是由裸芯片上的Die Pin，引线Bond Wire和基板上的Bond Pad三部分组成，在设计时Die Pin是芯片厂家定义的，Bond Wire和Bond Pad需要设计者根据生产厂家的工艺要求设计。

图4 SiP引线键合

2.6 布线

SiP的布线首先要按照工艺要求约束线宽线间距、划定禁止布线等区域，选择符合工艺的迭层结构、过孔结构等。塑料材料基板的设计、结构均与PCB设计基本一致，陶瓷基板与PCB略有不同，由于陶瓷基板是由多层单面走线的陶瓷材料压合烧制而成，故陶瓷基板可以出现单数层走线，而且陶瓷基板的过孔是在单层材料时冲压而成的所以其过孔定义可以不局限于几阶盲埋，可以联通任意层。其余的走线、电地层定义、以及需要考虑的信号完整性、电源完整性、热设计、强度设计与PCB相同。

2.7 DRC检查

设计规则检查（DRC）分为实时DRC以及全面DRC，其目的是防止电气开/短路，确保设计的可制造性。SiP基板设计中的DRC相比普通PCB设计的DRC多出了3D检查部分，用于检查Bond Wire等三维因素在基板设计中的相互干涉问题。

2.8 生产设计输出

SiP用于生产的输出数据主要包括3部分：

1） 用于SiP基板生产制造的光绘-Gerber及钻孔资料

2） 用具SiP装配（包括站片、键合、焊接等）的Drawing档和元器件坐标等数据

3） 用于生产塑封Mold模具、陶瓷、金属等封装外壳的结构设计数据。

其中前两部分是由基板设计输出，后一种由结构设计输出。

3 小结

通过对SiP设计流程分析对比，并在工程应用项目中实践，已经成功将该设计输出并流片成功，为实践SiP提供了应用验证，目前该项目芯片已经成功应用在设计中，开展进一步的测试验证工作。

SiP技术是一种飞速发展的IC 封装技术，正受到越来越多的关注和实践应用，必将成为未来电子封装的主流发展方向，为嵌入式系统的发展提供一种全新的解决途径，SiP在嵌入式领域的应用，将更大幅度地提高嵌入式领域电子产品的集成度和可靠性。

参考文献：

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[2] 毛忠宇，潘计划，袁正红.IC封装基础与工程设计实例[M].北京：电子工业出版社，2014.（1）.

[3] 代明清，韩强，邓豹，等.基于ARM 和FPGA 的SiP 系统级封装设计[J].微型机与应用，2014.