前言

系统级封装（System-in-Package，SiP）是通过封装技术实现芯片特定功能的系统综合集成技术。系统级封装通常将单个或多个功能芯片，包括处理器、存储器、模拟功放、射频通信芯片等，与各类分立元器件、无源元器件（如电阻、电感、电容）及各种微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）传感器芯片或光学元器件，通过系统设计及特定的封装工艺在通用基板上集成为单一封装综合体或模块，从而实现具有完整设计功能的系统或子系统电路集成。与常用的集成在相同硅制程工艺单一硅基上系统芯片（System-on-Chip，SoC）侧重于相同或类似的数字及逻辑电路不同，系统级封装更适用于在单一芯片上无法或很难实现功能集成的微波、射频、功率等模拟电路，以及集成不同硅制程工艺处理器和存储芯片功能的系统应用。

系统级封装技术的发展可以追溯到已有几十年应用历史的基于陶瓷基板或有机基板的多芯片模块技术（Multi Chip Module，MCM）。通过使用细间距表面贴装技术（Surface Mount Technology，SMT）、堆叠及3D芯片等高密度封装工艺，系统级封装能够有效实现局部高密度功能集成，减小封装模块的印制电路板（PrintedCircuit Board，PCB）尺寸，降低PCB的互连密度和成本。通过现有芯片和无源元器件的组合，系统级封装产品的开发周期短，产品开发成本得到大幅降低。另外，系统级封装和产品测试可以确保功能模块性能的一致性，提高产品的良率，增强产品的性能。系统级封装的这些优异特性使其在对芯片、元器件、结构和工艺非常敏感的射频、微波、蓝牙和Wi-Fi等通信集成电路模块中得到广泛应用，并在功率模块、可穿戴电子产品及智能手机中得到迅速推广。

20世纪90年代，全球移动通信系统（ Global System for MobileCommunications，GSM）及码分多址（Code Division Multi-Access，CDMA）数字通信标准推进了移动通信产品在全世界的快速普及和应用。全球移动手机的新机销量多年维持在年均20亿部左右，移动手机已经成为人类历史上应用最广、数量最多的电子设备。移动手机的逐年更新换代更是推动了集成电路设计、先进芯片制造工艺、芯片封装技术的高速发展。与移动手机同时代成长的系统级封装技术得到了极大发展。这项封装技术的有效应用也极大地推动了移动手机的大规模普及。例如，移动手机中关键的射频砷化镓（GaAs）功率放大器功能模块，如果采用传统的分立元器件在PCB上进行功能集成，则存在模块占用尺寸离散、电路阻抗匹配复杂、良率可靠性难以控制等问题，并且射频GaAs 功率放大器功能模块需要与硅控制芯片、信噪滤波器、电容、电感、电阻等众多无源元器件匹配。不同供应商和不同生产批次产品的性能差异可能会导致模块性能退化和大幅波动。利用系统级封装技术可以非常有效地把这些不同材质、不同功能、不同类型的芯片和元器件，通过最优化设计的基板和高密度芯片互连封装工艺集成到单一的封装体里面，实现最优的性能匹配、最精小的局部高密度芯片布局和完全测试可控。基于系统级封装技术制造出的最小尺寸、最优综合性能、高可靠性和高性价比射频功率放大器模块是难以通过SoC硅制程集成，或者通过PCB分立元器件板级集成来实现的。系统级封装集成技术是实现射频功率放大器模块的最佳技术方案。

智能手机的应用处理器（Application Processor，AP）和动态内存（DynamicRandom Access Memory，DRAM）芯片都使用先进的芯片制造工艺制造。初始的SoC可以通过芯片制造工艺将运算功能和存储功能集成到单一芯片上，但由于AP侧重于高速度、高强度计算，因此不同公司的产品规格和技术开发能力逐渐变得高度专一并定制化。DRAM芯片朝着大存储容量、高数据提取速度方向发展，其硅制程及测试工艺已经完全不同于AP。另外，独立的DRAM公司致力于推动DRAM芯片的通用化和标准化，从而使单一产品能够实现最大量应用和最低成本。这些因素导致AP和DRAM芯片逐渐分开并越行越远。AP+DRAM芯片的运算处理能力可以从根本上决定智能手机的先进功能和应用速度，为了实现高速的信息运算和数据提取，必须尽可能缩短数据传输的路径，最短的互连路径也可以最大限度地降低功耗。这些对于智能手机的应用运行速度和电池使用时间都是极其关键的。当前的主流解决方案是采用DRAM多芯片堆叠集成封装，以及AP和DRAM芯片封装体堆叠（Package on Package，PoP）封装的模块架构。在这种架构中，所有的芯片都采用硅制程工艺制造，DRAM芯片可以完全相同，通过简单重复的芯片堆叠达到所需的存储容量，如512MB到6GB的成倍扩展。用倒装芯片（Flip Chip，FC）技术封装的先进硅制程AP通过3D重叠和DRAM芯片互连实现最短数据传输路径。这种架构使智能手机核心的处理芯片模块实现了高速互连、最低功耗、最小PCB面积和最优性价比。这都是目前通用SoC硅制程集成技术和PCB板级集成结构难以实现的。

对SoC硅制程集成技术来说，系统级封装技术是其有效的补充，尤其是在超越摩尔（More-than-Moore）和后摩尔（More-Moore）芯片时代，芯片运算能力增强，功能复合多样，系统级封装技术更是得到进一步重视和发展。一方面，趋于完整系统的系统级封装应用（如智能手表、智能耳机等）推动更复杂、更高密度的双面封装等新技术的开发和应用；另一方面，功能模块化系统级封装提供了有效且高性价比的通用芯片平台，为不同产品（如移动手机、计算机等）提供了统一的功能模块。这些功能模块已经从相对成熟的射频模块扩展到Wi-Fi/蓝牙连接、电源管理、音频、MEMS生物识别等功能模块。新一代高速通信技术，如5G通信，需要更高的频率和更宽的带宽。这对各类功能模块提出了更高的应用要求，也极大地推动了系统级封装技术的发展。

具有超强运算能力的网络处理、计算中心、云计算及人工智能（ArtificialIntelligence，AI）芯片处理功能越来越强大，制程越来越复杂，芯片尺寸越做越大，单靠摩尔定律的纳米级SoC高开发成本及晶圆制造良率波动会造成芯片“天价”的现象。基于此，出现了异质集成（Heterogeneous Integration）和芯粒（Chiplets）等新型系统集成技术。例如，TSMC的集成扇出型（Integrated Fan-Out，InFO）封装、芯片转接板键合基板（Chip on Wafer on Substrate，CoWoS）封装、系统集成芯片（System on Integrated Chip，SoIC）封装、Intel 的埋入式多芯片桥连（EmbeddedMulti-Die Interconnect Bridge，EMIB）封装、“Foveros”封装及扇出型封装等。这些新型系统集成技术利用晶圆级超高密度互连进行2.5D/3D芯片重构，从而实现知识产权（Intellectual Property，IP）芯片的有效系统集成。这些新型系统集成技术在高端、先进芯片上得到应用，已经成为延续摩尔定律有效的、重要的芯片开发路径。

作为一种通过高密度基板和封装工艺来实现集成电路产品设计、开发和封测的主要技术和方法，系统级封装是一种重要的芯片开发和架构设计策略。其核心是通过芯片和辅助功能元器件，以特定的组合结构，实现功能整合和系统集成。系统级封装并没有单一明确的封装形式，可以在现有的大部分封装上实现。按照芯片封装结构的具体要求，系统级封装既可以使多芯片多元器件实现平面排列组合，也可以利用2.5D/3D芯片堆叠在立体空间进一步提高集成度，加强有效的互连功能。芯片、无源元器件和系统级封装基板可以利用所有有效的封装工艺实现互连，包括传统的引线键合、FC键合，以及先进封装硅通孔（Through SiliconVia，TSV）技术、FO重布线（Re-Distribution Layer，RDL）技术、基板芯片和元器件埋入技术等。系统级封装通常因为产品功能多样化而选择相对灵活的栅格阵列（Land Grid Array，LGA）封装。随着该技术在更大、更复杂的系统电路中迅速推广，可提供更多输入/输出（Input/Output，I/O）端口的球栅阵列（Ball Grid Array，BGA）封装，以及整体化模块也逐渐得到广泛使用。另外，系统级封装经常需要进行电磁屏蔽以消除模块电路与环境的交互影响，通常可以使用简单的金属壳来实现，高性能、高可靠性的系统级封装也越来越多地使用塑封料包封加金属涂层的工艺。

本书将从系统级封装的发展历史和技术特点展开，重点论述系统级封装技术的设计、关键互连结构和封装工艺，尤其结合当前系统级封装技术的发展，对系统级封装技术这一重要芯片开发理念进行详细论述：第1章内容包括系统级封装技术的发展，系统级封装的结构与特点，系统级封装的应用驱动；第2章内容包括系统级封装在高性能处理器方面的应用，系统级封装在无线通信模块中的应用，系统级封装技术在固态硬盘方面的应用，系统级封装在电源模块、功率模块中的应用，系统级封装在MEMS中的应用，系统级封装集成在智能手机、可穿戴设备、物联网中的应用；第3章内容包括系统级封装设计导论，系统级封装设计概述，电性能的分析与优化，热性能的分析与优化设计，机械性能的分析与优化；第4章内容包括陶瓷基板，高密度金属引线框架基板，高密度有机基板，预包封引线互连系统基板，转接板，扇出型晶圆级封装无基板重布线连接；第5章内容包括芯片，无源元器件，集成无源元器件，滤波器、晶振、天线、指纹传感器，封装关键材料；第6章内容包括SMT工艺、引线键合工艺、倒装工艺、底部填充工艺、硅通孔工艺、重布线工艺、临时键合与解键合工艺、塑封工艺；第7章内容包括陶瓷封装集成结构、多芯片堆叠封装结构、埋入式封装结构、封装体堆叠封装结构、双面封装结构、微电机系统封装结构、2.5D封装结构、扇出型封装结构；第8章内容包括系统级封装测试，系统级封装测试项目，测试机，系统级封装测试技术要求，系统级封装量产测试，系统级封装测试的发展趋势；第9章内容包括系统级封装的可靠性，可靠性试验，失效分析，系统级封装常见失效模式，系统级封装典型失效案例分析，系统级封装可靠性持续改善。

应该指出的是，系统级封装这一先进且有效的芯片设计理念和技术在电子产品新应用、新功能的持续驱动下，在可见的未来仍然会快速发展。现有制造技术工艺水平会不断提升，新技术和应用领域还在不断出现。本书希望通过提供系统级封装技术的基本设计、集成架构和关键工艺，能为更好地推动这一技术的不断更新发展提供坚实的基础。

本书是在“集成电路系列丛书·集成电路封装测试”编委会主要负责人、中国半导体行业协会副理事长、封装分会荣誉理事长毕克允和江苏长电科技股份有限公司时任董事长王新潮的直接指导和大力推动下编写的。长电科技集团高级副总裁、长电集成电路（绍兴）有限公司总经理梁新夫博士为本书主编。本书各章节内容由长电科技集团的研发和工程技术负责人员，以及半导体封装产业的资深专家、研究员和大学教授共同编写。

长电科技集团知识产权管理部王亚琴编写了第1章内容。

清华大学微电子学院蔡坚教授主持编写了第2章内容，清华大学的周晟娟、胡杨和崔轩参与了编写，南京大学微电子学院的周玉刚教授编写了系统级封装在智能手机、可穿戴设备、物联网中的应用内容。

长电科技集团中国研发中心技术副总裁李宗怿主持编写了第3章内容，长电科技集团的赵励强、刘丽虹、顾骁、夏冬和南京大学微电子学院的周玉刚教授参与了编写。

长电科技集团中国研发中心技术副总裁李宗怿主持编写了第4章内容，中科芯集成电路股份有限公司高级工程师丁荣峥编写了4.1节内容，参加第4章内容编写的还有长电科技集团的龚臻、沈锦新、林耀剑、胡正勋。

长电科技集团的缪富军、顾炯炯、李宗怿编写了第5章内容。

长电集成电路（绍兴）有限公司研发部胡正勋主持编写了第6章内容，长电科技集团的林耀剑、杨先方和南京大学微电子学院的周玉刚教授参与了编写。

长电科技集团中国研发中心总经理林耀剑主持编写了第7章内容，中科芯集成电路股份有限公司高级工程师丁荣峥编写了7.1节内容，长电科技集团的张江华和杨先方，以及江阴芯智联电子科技有限公司的张立东参与了编写。

长电科技集团缪冰彪编写了第8章内容。

长电科技集团知识产权管理部高级总监梁志忠主持编写了第9章内容，长电科技集团许峰、刘恺参与了编写。

在此，向以上各章节的编写负责人和所有编写参与者致以崇高的敬意，对其不懈努力、辛勤工作、付出宝贵时间和做出巨大贡献表示深深的感谢，也向大力支持所有编写者完成本书编写工作的家人、单位领导和同事表示感谢。

长电科技集团知识产权管理部高级总监梁志忠为本书的文字编辑做了大量细致的工作。华东师范大学通信与电子工程学院的吴幸教授和江苏中科智芯集成科技有限公司的总经理姚大平博士担任本书的主审。华东师范大学通信与电子工程学院的王亚男、张嘉言和陈熠渲参加了审稿和图片修改工作。在此，衷心感谢他们为本书定稿做出的巨大努力和贡献。此外，本书主编也向参与本书进度管理的沈阳、周健、高莉莉和支持本书编写的所有相关人士表示诚挚的感谢。

本书的编写者大多来自半导体集成电路封装一线企业。本书展现了系统级封装产品设计、技术开发和工艺制造的实践经验。由于经验不足，书中难免存在欠缺之处，恳请广大读者提出指正意见，以便不断完善。

编者