SOP集成技术的发展现状及其在毫米波系统中的应用❋

朱勇❋❋，张凯

（中国西南电子技术研究所，成都610036）

SOP集成技术的发展现状及其在毫米波系统中的应用❋

朱勇❋❋，张凯

（中国西南电子技术研究所，成都610036）

介绍了SOP（System-On-Package）集成技术，并与传统系统集成方法以及SOC（System-On-Chip）、MIP（Module-In-Package）、MCM（Multi-Chip-Module）、SIP（System-In-Package）等微封装、微集成技术进行了比较和分析，揭示了SOP小型化、低成本、高可靠性、高性能特点。对SOP在毫米波系统应用、新材料和新工艺的进展进行了总结，结果表明SOP在毫米波系统中具有良好的应用前景。

毫米波；集成技术；SOP；小型化；综述

1 引言

毫米波广泛应用到军事电子装备和系统的各个领域，利用毫米波可用带宽宽、穿透能力强、天线波束窄的特点，能使武器平台达到当前最佳的信息化水平和战场适应能力、信息对抗能力。

SOC（System-On-Chip）、MIP（Module-In-Package）、MCM（Multi-Chip-Module）、SIP（System-In-Package）等微集成电路/系统、微封装技术使电子设备的体积更小，性能可靠性更高。SOP（System-On-Package）可以兼容集成SOC、MCM、MIP、SIP，是获得电子装备当前最优化的小型化、低成本、高可靠性、高性能微集成和封装系统技术。

本文综述了毫米波SOP集成技术，包括基本概念和特点、应用方向和价值、国内外应用的进展，以及电路、工艺制造、材料等集成要素的关键技术，展望了SOP的毫米波系统应用前景和发展趋势。

2 SOP的基本概念和特点

SOP称为基于封装的系统，以系统为设计对象［1］，强调电路设计、集成制造一体化，工艺材料与结构、电路集成兼容性。对比基于模块的二次系统集成，SOP是一种革命性的系统集成技术，具有以下特点：

（1）多种集成元素兼容性：接口、安装、屏蔽、散热、信号互联结构材料要素，电路、器件安装、传输线、天线等功能电路要素，芯片键合、粘接、保护、介质材料与基板等制造工艺要素兼容；

（2）高密度集成：应用多层板内埋元器件、传输线、功能电路及3D叠装技术；

（3）节省材料：省去了模块重复、多层级封装、安装连接和接口硬件；

（4）制造管理流程省：采用一体化制造技术，与模块二次集成比较，工艺制造过程、管理环节减少；

（5）节省研发成本：兼容并尽量采用成熟的器件、模块、电路进行一次性封装集成。

SOP是一种系统集成技术，在单个封装内综合计算机处理、通信、生物电子功能、消费电子集成的高度小型化系统技术，它通过短时间内封装集成系统级器件完成这种小型化［1］。SOP概念由美国佐治亚洲工学院封装研究中心（Package Research Center，PRC）提出。SOP希望利用现有的器件、模块进行系统集成，如图1（a）［2］所示。

SOP、SIP、MIP、MCM、SOC是一组联系紧密的概念。SOC称为系统芯片，可以是SIP、SOP封装内的一个功能子集。MCM强调多个芯片在基板上的平面安装和互联，如果形成系统级行为或功能的单一封装结构，则可看作SOP；功能组合模块化的独立封装结构，则认为是MIP。MIP更接近于SOP的混合集成电路，但不具备系统级的行为或功能。

SIP强调多个功能芯片或其他器件的合并封装，典型的SIP［2］是一种芯片级的层叠安装的结构，安装基板仅提供2D安装和信号互联的功能，如图1（b）所示。

图1 典型的SIP和SOP结构Fig.1 Representative configuration of SIP and SOP

3 毫米波SOP的应用价值

如图2所示，SOP提供兼容SOC、MCM、SIP等微集成电路技术，SMT、微组装、微封装工艺制造，多种材料、系统功能以及高效热管理的能力，体现了一体化设计、一体化制造、充分利用现有产品的系统集成思想，使电子产品具有当前最佳［3］的小型化、低成本、高性能和高可靠性，如表1所示。

图2 SOP兼容集成3D-MCM、SIP、SOCFig.2 3D-MCM，SIP，SOC compatibly integrated in SOP

表1 SOC、MCM、3D特性比较Table1 Comparison between SOC，MCM and 3D-Stacking

小型化：SOP高度的兼容性和高密度集成，材料省。

低成本：SOP节省研发成本、材料，制造管理流程。

高性能：高密度垂直互联传输路径更短，损耗更小；芯片热源到封装表面散热路径缩短，散热效率提高；封装层次减少降低器件间的连接损耗。

高可靠性：SOP在相对较小体积下完成所有器件气密性封装；安装、散热、接口、封装、信号屏蔽、电气互联等兼容设计，使用更少的工艺过程和材料。

4 国内外SOP系统应用的进展

V频段SOP在高速数据、图像传输得到应用和发展，天线、射频收发功能的MMIC芯片和大容量信号处理集成到一个封装里面，为本地局域通信系统（WALNS）、物联网、高清数字电视、高清多媒体等提供宽带光纤网络的无线接口。

如图3所示，60 GHz光纤射频无线接口收发信机采用LTCC多层电路板［4－5］在单封装上集成了光电转换器、低噪声放大器、功率放大器、开关和天线。工作带宽大于7GHz，码速率达到2.4Gb/s。采用液晶聚合物（Liquid Crystal Polymer，LCP）有机介质基板技术实现的V频段SOP收发信机［6］内埋滤波器、匹配网络、V频段双工器和阵列贴片天线，双工器插损低于4 dB，隔离度大于23 dB，4单元的阵列贴片天线增益20 dB。

图3 60 GHz光纤射频接口SOP系统框图和实物照片Fig.3 SOP system figure and photo of conversion of fiber and RF at60 GHz

美国佐治亚洲工学院在V频段完成了一个通信和雷达SOP，分别采用QFN和BGA形式的LTCC封装［7］。1m传输距离上，码速率15 Gb/s；2 m距离10 Gb/s；5m距离上5 Gb/s。

V频段毫米波SOP各项性能指标可以满足各种近程宽带通信的应用潜力，并具备较高的抗干扰能力和小型化水平。

5 SOP集成关键技术及进展

5.1 多层介质材料

多层介质提供信号的互联、隔离以及内埋电容、厚膜电阻、多层电感、LC、微带、SIW滤波器集成。LTCC是一种比较成熟微波毫米波［8－9］多层介质板材料，可以方便地开槽、打孔，形成液冷散热微流孔、金属热沉和屏蔽隔离腔，是目前SOP多种集成功能兼容性最具吸引力的多层介质材料。

LCP适合SOP应用［10］，在XY方向具有优异的热稳定性，强度高，热膨胀系数可控，具有极低的吸水率和较高的气密性，可集成高密度的多层结构。用较低熔点（280℃）的LCP薄膜作为粘接层，较高熔点（315℃）的LCP基板作为“芯板”，可与金属、陶瓷介质、聚四氟乙烯、玻璃钢等材料直接热熔固化，形成复杂的多层结构。

低介电场数介质基片在10μm量级的介质厚度上可获得较低的传输损耗和较高的Q值，如BCB（苯并环丁烯聚合物）、PPE（聚苯醚树脂）、PI（聚酰亚胺）等，如表2所示。

表2 用于SOP的介质材料性能和特性Table 2 Performance and speciality of dielectr icmaterial used for SOP

5.2 基板材料和多层板制造

基板是多层板结构材料焊接、热学、力学特性的载体，提供3D叠层安装、高密度垂直互联等，要求热膨胀系数低、热阻小、刚度大、强度高，可采用LTCC、HTCC、Al2O3、AlN以及Si、Al-SiC、C-SiC等半导体衬底材料。高刚性模量和低热膨胀系数基板材料可满足50～100μm节距微凸点高密度互联和布线对基板翘曲度的需求［11］。多层板层压制造工艺能够兼容多种介质、基片材料以及金属的混合层压，厚膜、薄膜、覆铜板蚀刻技术是解决SOP封装母板以及叠层基板的最具前途的多层介质和基板制造技术。

5.3 高密度互联与3D堆叠

3D叠装高密度互联形式主要有金丝键合、通孔互联、刚挠板互联、BGA互联以及金属凸点到凸点形式的倒扣焊技术，如图4（a）～（e）所示［3］。

图4 3D堆叠高密度互联形式Fig.4 The form of high density 3D stacking interconnect

金丝键合、通孔互联、刚柔基板可制造性好，但引线长，高频率信号损耗大，电磁兼容性差，不适合毫米波高频段的应用。

BGA具有引线密度大、焊接方便、性能好、功能（互联与结构安装、信号屏蔽、热设计）兼容好的特点。BGA到40 GHz的反射小于－15 dB，插损小于0.5 dB［12－14］。接地BGA还可倒扣焊接在底板上形成屏蔽腔［16］，实现信号的屏蔽和隔离。

金属凸点与BGA互联比较，节距更小，互联引线更短，电气性能更优，3D基板堆叠密度更高，电路、结构、热、工艺兼容能力优于BGA。金属凸点焊接采用非熔流焊接，可直接用于裸芯片基片3D基板堆叠。常用金属凸点主要有Cu-Cu、Cu-Sn-Cu、Au-Au、Ti-Si［3］，接触面镀薄层锡金属，在真空条件下键合，键合温度低于300℃，这种金-金键合对基板翘曲度要求达到1μm量级。日本东芝公司采用金和银锡合金代替纯锡［3］，放松金属凸点互联对基板翘曲度的要求，如图4（f）所示。

5.4 打孔和布线

SOP追求微通互联孔化和布线密度不断提高。国际电子生产商联盟（National Electronics Manufacturing Initia-tire，NEMI）2000年在电子产品路线图中指出［11］，到2010年，实现低介电常数2.2～3.3、低损耗正切0.0008～0.008、3～9μm金属薄膜，单层介质厚度和通孔直径10～30μm，微凸点节距30～100 μm，线宽和缝隙3～10μm，布线密度10 000 cm/cm2。这个目标在2005年实现［15］，高刚性模量C-SiC作核心基片，真空沉积10μm厚度的BCB多层介质，线宽和间距6μm，最小孔径5μm。

5.5 有源芯片埋置

有源芯片埋置技术实现裸芯片多层介质自封装和薄片化。环氧、LCP等具有粘接和固化特性的介质，Flip-Chip安装方式利于有源芯片在多层介质埋置。埋置技术可分为源芯片前埋置、中间埋置、后埋置3种［18］，后埋置技术利于简化工艺流程。前埋置技术芯片安装到基板上，再建立芯片正面与介质层多层互联，如图5（b）［18］所示；中间埋置在多层介质和基板制造过程中间将芯片正面向下安装到多层介质上，再建立与多层介质的互联，如图5（a）［19］所示；后埋置则在多层介质板成型后，芯片正面向下倒扣安装到多层介质板上，如图5（c）［18］所示。

图5 芯片埋置技术Fig.5 The technology of chip embedded

通孔互联、倒扣焊与芯片内埋工艺兼容性较好，可较好匹配芯片表面介质覆盖和电磁场屏蔽效应。金丝键合的MMIC芯片没有考虑表面的介质覆盖和屏蔽［20］，需留出一定高度的空气介质，如图6所示。

图6 金丝键合的芯片埋置示意图Fig.6 The illustration of chip embedded with wiring bonding

5.6 无源元件和电路埋置

无源元件和电路埋置不仅提高了多层介质板的集成密度，降低了成本和器件安装时间，还有利于提高集总元件的Q值，消除分立器件焊点，提高SOP电气性能和可靠性。

嵌入可与SOP兼容集成的钛酸钡薄膜，MIM结构埋置电容密度达到1μF/cm2；多层垂直交错结构电容（Vertically Interdigitated Configuration，VIC）所需的面积比MIM结构可能低一个数量级［2］。

LTCC多层电路可以制作nH级的高Q值电感，根据电感感值大小和频段，主要有平面曲线（Meander-Line）结构、平面式螺旋（Spiral）电感和立体螺旋电感3种结构［2］。采用埋置CPW传输线，在2D单面和3D双面集成电感量［20］分贝达到0.6～30 nH，自谐振频率（Self-Resonance Frequency，SRF）高于40 GHz和2 GHz，Q值大于110和30。

毫米波SOP应用滤波器频段覆盖DC～60 GHz。在高达60 GHz频段，SIW、微带、带状线滤波器得到大量应用［21－23］。

6 毫米波SOP的应用前景和发展趋势

目前还未见一款成熟的毫米波SOP产品面世，因此需要建立适应毫米波SOP一体化设计、制造的技术体系框架以及相应的技术组织方法，实现毫米波SOP的可生产性、可调试性，使之具有与基于模块化二次集成大致同等的设备研发和产品化能力。基于SOP的特点和系统应用、集成电路、材料体系的发展现状，毫米波SOP发展趋势具有以下特点：

（1）基于无封装单片、埋置电路和元件追求产品的小型化、低成本、高性能、生产性；

（2）使用高刚性模量基片和低损耗、低介电常数介质的混合层压制造工艺和混合材料系统，使电路功能、热管理、组装制造具有最大的兼容性；

（3）适用于中近程作用距离、中低价值、中低功率耗散、中低规模复杂度电路系统的中大批量应用；

（4）建立有效的多学科协同、多专业联合的技术和组织结构，搭建协同仿真环境实现SOP微封装系统集成进行产品化研制。

毫米波SOP适应了毫米波系统设备小型化、宽带发展趋势，在未来武器平台上具有重大发展潜力。应用于复杂战场（地理、天候、电磁场）环境、轻小型化、大带宽信息容量、批量需求的军事平台和领域，可满足无人机、直升机、坦克等一线战斗平台，适应复杂战场、电子对抗环境或协同条件下的高度信息化、综合化和小型化；可满足复杂战场环境中便携式装备，战场通信、指挥与敌我识别装备的小型化；也可满足火箭弹、炮弹等常规智能弹药简易制导、引信的小型化、低成本和高过载。

7 结论

毫米波SOP的特点适应了电子产品不断追求小型化、低成本、高性能和高可靠性的趋势，综合并兼容了SOC、SIP、MCM等微封装、微集成技术，代表了微波毫米波电路与系统微封装、微集成重要发展方向。随着集成电路技术、材料系统、组织结构的不断成熟和发展，可有效规避研制阶段的技术风险，期望批量化的利润回报抵消研发阶段的高投入。毫米波频段的特点和SOP概念的结合，适应了毫米波发展的趋势，在军民领域均具有重大发展潜力，可能成为未来电子装备的核心技术。

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朱勇（1973—），男，重庆綦江人，1996年于兰州大学获理学学士学位，现为高级工程师，主要从事毫米波组件和信道的集成研究工作；

ZHU Yongwas born in Qijiang，Chongqing，in 1973.He received the B.S.degree in Electronics and Information Science System from Lanzhou University in 1996.He is now a senior engineer.His research concerns integration ofmillimeter-wavemodule and transceiver.

Email：zhuyong73＠126.com

张凯（1981—），男，四川雅安人，2007年于电子科技大学获微波工程专业硕士学位，现为工程师，主要从事毫米波收发组件和基于LTCC的MCM集成研究工作。

ZHANG Kaiwas born in Ya′an，Sichuan Province，in 1981. He received the M.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2007.He is now an engineer.His research concernsmillimeter-wave TRmodulesand LTCC-basedmultichip-modules（MCMs）.

Email：zkwd1981＠126.com

Progress of SOP Integration Technology and its Application in M illimeter-wave System s

ZHU Yong，ZHANG Kai
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

In this paper，System-On-Package（SOP）is introduced.SOP is compared with traditional system integration technology and other types of integration technology，such as System-On-Chip（SOC），Module-In-Package（MIP），Multi-Chip-Module（MCM）and System-In-Package（SIP）.On this base，it is illustrated that SOP is featured byminiaturization，low cost，high reliability and high performance.And the progress of SOP inmillimeterwave system application，new material and new manufacture technology is analyzed.The results show that SOP has promising future inmillimeter-wave systems.

millimeter-wave；integration technology；SOP；miniaturization；summarization

TN40；TN609

A

1001－893X（2013）02－0219－06

10.3969/j.issn.1001－893x.2013.02.021

2012－11－02；

2013－01－31 Received date：2012－11－02；Revised date：2013－01－31

❋❋通讯作者：zhuyong73＠126.com Corresponding author：zhuyong73＠126.com