SiP封裝在5G和IoT時代面臨的挑戰
9月10日到11日，由博聞創意會展（深圳）有限公司主辦的“第三屆中國系統級封裝大會”（SiP Conference China 2019）在深圳舉辦。在本次大會上，SiP封裝產業鏈上的多家公司分享了面向5G、手機、loT和可穿戴設備等應用的SiP系統解決方案，并圍繞SiP測試、組裝工藝與技術，帶來先進的5G材料和基片解決方案，共同探尋SiP業務與技術趨勢。
SiP發展趨勢
從手機射頻前端近幾年的變化，可以看出，手機射頻前端模塊的集成度越來越高。可穿戴設備的集成度也越來越高。
但現在，隨著5G、AI和物聯網部署的快速推進，SiP產品需求快速增長。比如現在的智能手機一般需要8~16個SiP產品，可穿戴產品未來會將所有功能都封裝進一個SiP產品內。會上多位演講嘉賓都提到5G手機將會需要更多的SiP產品。
圖1：SiP產品在智能手機中的應用。
但系統集成度方式其實有三種：SoC、SiP和SoB。這三種方式也各有其優缺點。
圖2：系統集成的三種方式優缺點對比。
SoC（System on Chip，系統級芯片）是將多種功能集成在同一芯片上。其優點顯而易見，它具有最高的集成度，更好的性能、更低的功耗和傳輸成本；缺點是有很高的技術門檻，開發周期（TTM）會比較長，一般需要50~60周，還有就是不夠靈活和受摩爾定律的影響。
SiP是將多種功能芯片，包括處理器、存儲器等功能芯片集成在一個封裝內，從而實現一個基本完整的功能。其主流封裝形式是BGA。的優勢是可以異構集成，開發周期24~29周。
SoB（System on Board）則是基于基板方式的封裝。開發周期一般是12到15周。生命周期24~29周。
一般來說，對生命周期相對較長的產品來說，SoC將作為需要產品的核心；如果對產品開發周期要求高、生命周期短、面積小、靈活性高的產品，則更傾向于使用SiP或者SoB。
比如vivo封裝技術專家楊俊在系統級封裝大會上就表示，目前vivo使用得更多的是SoB和SiP封裝形式。
SiP面臨的EDA挑戰
5G射頻前端對SiP的需求特別大，但隨著封裝越來越緊湊，未來還可能需要將毫米波波段集成進去，因此SiP產品的電磁（EM）仿真變得越來越重要。也就是說SiP產品需要進行精確的3D EM仿真。
芯禾科技工程副總裁代文亮博士表示，目前沒有單一的電磁場求解技術可以解決今天所有的挑戰。商業電磁場仿真工具也一直在創新中，目前可以提供電磁場仿真工具的企業有芯禾科技、NI、Mentor，以及Cadence等廠商。
圖3：商業電磁場仿真工具市場一覽。
芯禾科技可以提供的工具有IRIS、iModeler和Metis。
圖4：芯禾科技電磁仿真工具應用案例。
Mentor也將其在芯片仿真領域的優勢帶入了SiP領域中來了，Mentor, a Siemens Business亞太區先進封裝技術經理紀柏霖在演講中表示，以前只做芯片封裝時，根本不需要考慮布局布線的問題，封裝也不需要另外再做仿真，但SiP產品不一樣，因為不用的芯片是集成在一個基板上的，必須要考慮布局布線和仿真問題，還需要做SI/PI/EMI分析、熱應力分析、LVS/DRC、可靠性分析（ESD），以及可制造性分析等等。
他重點介紹了Xpedition和Calibre 3DSTACK在SiP中的應用。
SiP面臨的封裝和測試挑戰
SiP產品中，如果集成多個射頻芯片的話，其EMI問題可能會變得更加難以處理。矽品精密研發中心處長蔡瀛州介紹了矽品精密的處理方法，可以在封裝前加一層EMI屏蔽罩。
圖5：矽品精密研發中心處長蔡瀛州在介紹矽品精密的EMI屏蔽罩解決方案。
他同時介紹了不用應用場景所使用的SiP形式和發展趨勢，比如云端AI和網絡SiP產品常使用FCBGA、2.5D、3D和FO-MCM封裝形式；邊緣AI和設備常使用PoP和FC-ETS封裝形式。
圖6：AI新品的封裝技術。
高性能計算封裝趨勢正在從開始的FCBGA和2.5D封裝形式向3D封裝轉換。
圖7：3D SiP技術的發展趨勢。
而SiP的測試挑戰是顯而易見的，因為系統復雜度和封裝集成度都增加了，而產品上市時間卻縮短了。那如何緩解SiP最后一步的測試壓力呢？NI給出的解決方案是增加中間段測試。
SiP與SoC測試流程中都包含晶圓代工（Foundry）與委外封測代工(OSAT)，主要區別體現在OSAT段。在SiP測試的OSAT段測試中，基板（Substrate）、裸片（die）、封裝等的測試會有不同的供應商來做，為了整個流程的質量控制，還會有不同的中間段測試。
圖8：傳統的SoC測試流程 vs SiP測試流程
通常來講，SiP測試的方法主要有4種：
傳統的ATE測試，難以擴展定制；
In House Design Solution即定制化測試；
將系統級測試軟件與傳統測試儀器相結合；
Open Architecture Platform即開放式架構平臺，它既有ATE的功能，同時它又可以很容易地集成到原來的中間段測試里面。
最后一種開放式架構平臺是NI亞太區業務拓展經理何為最為推薦的解決方案。
SiP面臨的清洗設備挑戰
對芯片助焊劑臟污清洗不徹底會引起很多問題，比如有機殘留物引起的結晶樹枝狀生長會引起短路，造成器件電氣性能失效；助焊劑殘留會阻止環氧樹脂填充，造成底部填充/塑封在芯片和基座之間產生空洞和分層，進而引起電學失效以及后期溫度沖擊開裂；此外，Flux具有腐蝕性后期影響。
芯片清洗過程有四個基本要素，即溫度、機械作用、化學作用和時間，這四個要素缺一不可，他們相互影響且互為補充。
圖9：超越摩爾定律的多樣性發展途徑。
清洗過程中，對噴嘴的設計，流量和壓力都有特定的要求。有時候單純增加壓力，并不一定能夠清洗干凈，比如下圖中，清洗液壓力越大，濺射也越大，真正清洗的液體量可能不夠，從而無法清洗干凈。而如果增大流量，降低壓力，清洗效果可能會更好。
圖10：清洗設備的噴嘴設計。
結語
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