SOP在电子技术中的应用

SOP在电子技术中的应用

SOP是一种新兴的系统级封装技术。该技术强调了封装的不是板而是系统。多芯片模块、系统级芯片、系统封装SIP和传统系统封装在计算和集成上的限制在SOP上得到了很好的解决。文章简述了SOP在电子技术中的应用、面临的挑战和发展前景。

随着电子技术的快速发展，市场上各种电子产品往小型化甚至微型化发展，集成电路的集成度越来越高、功耗越来越低、体积越来越小、单位体积内的容量越来越大。这种现状要求半导体芯片能集成更多不同类型的元器件，要集成更多不同类型的元器件就必须在封装的技术上有很大的突破。

在半导体电子元件的发展中，起着不可替代的组成部分就是半导体元器件的封装技术。封装技术的好坏直接影响到半导体元器件的产品性能、封装结构复杂程度、成品的频率、耗散、数据传输的可靠性以及生产成本等等。每个阶段的封装技术的优良与否和当时的IC技术是同步发展的。封装技术从20世纪70年代发展到21世纪初，已经有了极大的提高。封装技术的快速进步直接影响IC的质量和生产效率。经过这么多年的发展，封装的效率已经从开始的2%（DIP）、5%（QFP）发展到现在的80%（SOP）。

今天的电子技术发展的非常快，以目前的封装技术还是不能满足电子产品往微型化发展的目标。目前，SOP封装技术可以在一定范围内满足电子产品发展的需求。相信这种封装技术将会发展为一种成熟的、普及的封装技术。

发展中的封装技术

技术使生活更加美好，随着人们生活水平的不断提高，电子产品已经成为生活中不可或缺的工具。网络技术、通信技术等相关技术的飞速发展以及这些技术与生活的不断结合，从而促使技术的发展速度。模拟电子、数字电子、信号处理器、存储器以及各种不同规模的集成电路都得到了长足的发展。人们通过这些技术设计出的电子系统同样也具有多种多样的特性：

频率混合特性：高速数字组件到几百GHz 的微波/射频组件；

技术混合特性：数字电子技术、模拟电子技术、射频技术以及嵌入技术相结合；

信号混合特性：高速电子信号和低噪声放大反馈电路相结合；

结构混合特性：规则结构封装和无规则结构封装相结合；

设计混合特性：功能电子设计和基于物理散热设计的相结合。

系统级芯片介绍

SOC 的特点是：是在单个芯片上集成的一套完整系统。该系统级芯片的功能是在这块芯片上完成数据转换、数据采集、数据存取等一系列功能。这种集成技术作为集成电路技术研发史上的一个巨大突破而得到追捧。将系统级芯片和单一功能芯片做对比，其优点将得到以下结论：

电子功能有所提高：单一芯片的功能是唯一的，而系统级芯片将各种单一芯片的功能（锁相环功能、震荡功能、调制解调功能、变相功能以及直流斩波功能等等）集成到一块芯片上；

提高了芯片的性能指标：系统级芯片的性能比单一功能芯片的性能更加稳定，是因为在设计的时候就已经从整个系统来考虑问题了。

多芯片模块介绍

所谓多芯片模块（MCM），是将各种不同功能的组件进行互联。通常的做法是在基板上对多只KGD封装进行多层连接，之后将一些功能器件连接到上面多功能芯片组。在设计之初，为了将裸芯片做成陶瓷封装才研发了MCM，因为在之前的技术上无法再硅晶片上批量生产芯片。

通常我们使用专门的材料给芯片的机械架构提供支撑，同时在工艺中使用裸线将高性能集成电路与MCM 进行多层之间的连接。MCM 的优点是：体积小、性能高、具有很好的兼容性以及可以提供非常可靠的数据空间。按基板装配的不同可以将MCM分为四类：共烧型、叠层型、淀积型和混合型。

系统封装SIP

还有一种先进的封装技术是SIP，该封装的特点是：将芯片进行堆叠，从而降低它的形成因子。这种封装可以将多种集成电路甚至多种分立元件集中到一个组件上。与其他封装比较，SIP 封装技术具有的优点是：

可以在一个较小的封装内集成多种功能不同的裸片，这样就避免了封装冗余；其次，封装在一个外壳下可以使集成电路之间的间距减小，方便了互连；最后，采用堆叠封装技术，可以提高封装密度，节省材料，减少成本。

系统级封装SOP

根据系统集成的莫尔理论，SOP是一种比MCM封装技术和SIP封装技术更加先进的封装技术。这种封装技术强调的是系统集成而不仅仅是板的集成。相比于SIP封装、SOC封装、MCM封装而言，SOP封装将之前仅局限于CMOS处理的缺点进行了优化和改良，克服了以上几种封装技术的局限性和缺点。更由于其低成本、高性能、微尺寸等优点而成为了集成电路的最佳技术。

图1 SOP、SOC、SIP、MCM和3D封装对比

图2 SOP薄膜3D组件集成示意图

SOP封装技术概述及发展前景

SOP封装技术是一种新型微小系统集成技术。早在1994年美国国家科学基金就对国内的研究学者进行资助，让这些学者研究SOP封装技术。研究者们起初将射频芯片、光学组件用薄膜进行封装，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的发展历史

SOP封装技术的特点是一种系统聚合。例如：音频聚合就是把计算机技术、电信技术和多媒体技术进行系统聚合。这种系统聚合的技术有非常广阔的应用前景，我们所看到的视频蜂窝电话就是系统聚合的应用实例。SOP封装技术要求对IC的封装进行系统设计，以达最好的芯片封装集成效果。人们追求的多功能、微型化、跌成本的目标都是一切封装技术所追求的目标。如图1所示，SOC 在IC集成领域是最佳的方案，SIP在芯片的堆叠领域是最佳的解决方案，MCM和3D封装在封装集成领域是最佳的解决方案，而SOP封装技术在系统集成领域是别的封装技术无法替代的。

SOP之所以比MCM封装技术更加先进和实用，是因为SOP 封装技术采用了先进的工艺和新型的结构化设计方法。在整体解决方案中，对封装基板和芯片进行了严谨的对照，依据性能最优、成本最低的设计方法来实施。所以，在系统级封装领域内是最好的解决方案。

SOC之所以不能和SOP一争高下，是因为SOC存在很多技术上的壁垒。比如：规格结构的难以统一、数字模拟量的难以集成等因素都是其致命的弱点。而这些技术上存在的问题在SOP这里却得到了很好的解决。

在嵌入组件这方面，SIP 虽然可以实现。但由于在sip中嵌入的组件体积大和离散性使得人们难以接受。SOP不仅能嵌入有源和无源组件，而且可以减小封装体积增大组件密度。这一优点使得SOP技术优先于SIP技术。

SOP 面临的挑战

SOP 是一种系统级集成，是由薄膜组件集成的微小型系统。SOP 封装技术的特点是：设计结构简单、成本低、功能集成度高、电特性好等。如下图2所示。SOP 是将单一功能的芯片进行功能化集成，优化单一芯片的功能。集成规格由微米级向纳米级靠近。SOP和传统的封装技术相比具有很多优点，但是也存在着一些挑战。

结构设计上存在的挑战

随着电子技术的发展，射频前端、模拟电子、数字电子等芯片的集成度会越来越高。在这种高密度集成系统中，需要注意的问题就是电磁兼容和电磁干扰所带来的影响。在单纯的高速数字系统中，若要保证信号的完整性则具有很高的挑战性。通常在设计工具上我们应当遵循以下规则：使用不同的CAD工具和方法分别对芯片的设计及封装进行设计，在高速信号系统中，IO的特性将对系统产生影响。

（2）技术上存在的挑战

低寄生和精密互连：为了保证互连的带宽，我们要注意寄生电容和寄生电感所带来的影响。

功率消耗和热可靠性：封装尺寸的微小化，直接导致集成密度的上升。如何保证功耗的水平和温度的控制是一个技术性的挑战。

基板的高密度互连：当把不同的单一功能的芯片集成到SOP上时，缩小了系统的尺寸和基板的尺寸，要考虑互连基板的密度。

SOP的发展展望

随着电子技术的快速发展，市场上各种电子产品往小型化甚至微型化发展，集成电路的集成度越来越高、功耗越来越低、体积越来越小、单位体积内的容量越来越大。这种现状要求半导体芯片能集成更多不同类型的元器件，要集成更多不同类型的元器件就必须在封装的技术上有很大的突破。而SOP封装技术所具有的特点是其他封装技术所不能比拟的，在未来的封装技术中，SOP将成为一种具有代表性的封装技术。

结束语

现代生活季度依赖于电子科技技术。随着人们生活水平的提高，对电子产品的要求也会越来越高。小体积、多功能、续航时间长等等性能都是对电子产品的考验。对于这些要求将直接影响封装技术的发展。SOP作为系统级集成，它不是板级集成，也不是单一的芯片集成，是在很小的薄膜封装内集成了一个系统，这个系统将满足小体积、多功能、续航时间长等一系列要求。因此我们可以预测，SOP封装技术将在封装领域中得到广泛应用。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.19.009