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  • 混合集成电路步入SOP阶段 我国应加快研发
    -    -      发布时间:2009/6/25
    中国电子学会元件分会委员 王瑞庭

      现在,国际上混合集成电路正在步入将系统级芯片、微传感器、微执行器和外围薄膜无源元件集成在一起,集微电子技术、光电子技术、MEMS(微电机系统)技术和纳米技术于一体的系统封装(SoP)阶段。

      电子产品的发展大趋势是高集成、高性能和高可靠性,而随着技术的提高将产品的“轻、薄、短,小 ”不断推向新的水平。有源器件经历了由电子管、晶体管、小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路阶段,现在实现了系统级芯片 (SoC),验证了摩尔定律“每18个月集成电路芯片上的晶体管数目增加1倍”的预言。无源元件也正在实现从有引线插装元件的形式向无引线表面贴装的小型化形式发展。

      系统封装实现真正小型化

      混合集成电路是一种小型化、高性能和高可靠的互连封装手段。我们国内将其称为二次集成,意指在半导体单片集成电路的基础上,实现包括外围无源元件在内的混合集成。混合集成电路是随着半导体和集成电路的发展而发展起来的。它经历了和半导体类似的发展历程。随着半导体集成电路规模的扩大,混合集成电路经历集成了中小规模IC(集成电路)的混合电路、集成了大规模和超大规模集成电路的多芯片组件 (MCM)、集成了系统级芯片实现3D堆叠组装的封装内系统(SIP)等阶段。现在,国际上混合集成电路正在步入将系统级芯片、微传感器、微执行器和外围薄膜无源元件集成在一起,集微电子技术、光电子技术、MEMS(微机电系统)技术和纳米技术于一体的系统封装(SoP)阶段。

      在许多情况下,遵循摩尔定律发展的IC仅占一个系统的10%,其余90%是组装在一两个印制电路板上的诸如电阻、电容、电感、天线、滤波器和开关这类分立无源元件,它们仍旧留在那里。要实现真正的小型化需要再前进一步,即用系统封装(SoP)来实现真正意义上的小型化。SoP超越了摩尔定律,它将IC与微米量级的薄膜型分立元件结合,将各种元器件内埋在一种非常小的新型封装里,以至于使手持系统成为具有从多功能到兆功能的设备。SoP不仅被开发用于无线通信、计算和娱乐装置,配上传感器,它还可以用来检测各种物质(有毒的和无毒的),包括周围环境中、食物里以及人体内的化学物质。该技术解决了系统中90%没有被集成化部分的体积问题(即所谓的90%问题)。

      SoP技术代表了一种截然不同的系统构建方法。它缩小了笨拙的印制电路板体积并节省了许多元件,使它们几乎消失。实际上,SoP建立了系统集成的新定律。有人将其称为电子学第二定律。这个新定律是:随着元件尺寸缩小和印制电路板的消失,在一个 SoP里元件密度每年大约增加1倍,而封装内系统功能的数量将以同样的比例增加。这样,SoP技术在系统小型化方面将比仅仅处理IC芯片上晶体管数目的摩尔定律产生更大的作用和影响。

      自从1993年美国佐治亚理工学院提出SoP的概念后,他们与美国、日本、韩国和欧洲的100 多家电子公司在这方面开展合作,包括AMD、Asahi、爱立信、Ford、日立、IBM,英特尔、Matsushita、摩托罗拉、NEC、诺基亚、三星、索尼和TI等公司。此外,70多位研究人员作为访问工程师来到他们的封装研究中心研究SoP及其应用。

      迄今为止,至少有50家公司参与了SoP技术研究,将其应用到汽车、计算机、消费电子、军事电子和无线通信领域。该研究中心还为许多公司建造许多试验样机,将模拟、数字、射频、光学和传感元件做进单一封装,形成不同的组合。

      我国应尽快开展SoP研究

      我国的混合集成电路行业从20世纪60年代中期起步,经过40多年的发展,从无到有,从小到大,至今,已具备了一定的研究、开发和生产能力,产品已经在航空、航天、舰船、兵器、通信、雷达、电子对抗及电力电子、汽车电子、医疗电子和其他消费类电子产品中得到广泛应用。

      但是在技术水平上,国内的混合集成电路基本还处在对中小规模集成电路进行二次集成的混合集成电路发展的初中级阶段。从上世纪90年代开始,在国家科研项目的支持下,一些研究所和工厂开展了多芯片组件的研究,取得了初步的成果,在一些重点工程项目中获得了初步应用。但是技术水平上和国外先进水平还有一定的差距。迄今为止,对于混合集成电路的最新发展阶段SIP和SoP产品,国内混合集成电路行业尚没有对其进行系统地规划和研究。

      但是,作为SoP基础技术的微电子技术、MEMS技术、纳米电子技术、材料技术,在其他项目的规划下国内已经有一些单位开展研究,并取得了一定的成果。微系统技术在国内一些从事微系统研究的研究所已经开始进行研究,但是和混合集成电路行业没有太多联系。这对于集中国内的资源,尽快推动微系统封装行业的发展,赶超世界先进水平是不利的。

      对于混合集成电路行业自身来说,我们的优势在于集合现有的不同技术优势于一体,进行混合集成,实现最优的性能和可靠性。如果缺乏前瞻性,看不到在微系统封装方面我们混合集成电路行业的责任和采取行动的急迫性,将来必然又要落后于国际先进水平。因此,行业中相关企业和研究所应即刻开始展开在SoP领域的研发和探索。

      专家观点

      发展我国SoP思考和建议

      混合集成电路技术本质上是一种高集成度、高性能和高可靠的互连封装技术。它在电子产品微小型化的进程中扮演着极为重要的角色。半导体单片集成电路的集成度沿着摩尔定律指出的路线图迅速进步。但是,摩尔定律只是对单片集成电路晶体管密度作出预言,虽然非常重要,但用佐治亚理工学院Tummala教授的话说,它只解决了系统中10%的问题。占系统体积90%的大型无源元件和电路板的小型化要靠混合集成技术解决,这就是我们今天所说的SoP技术。

      随着技术的进步,必然的结果是系统与元器件的融合,各种技术的融合。要实现系统集成的SoP封装,推动电子产品的不断小型化,使系统封装领域的“超摩尔定律”成为现实,光靠一个单位的实力是不够的。需要国家综合实力的支撑,需要各个行业协同作战。

      为了推动SoP技术在我国的推广应用,建议如下:

      1.由国家对系统封装行业作出规划,设立重大专项,给予足够的资金支持,协调国内混合集成电路研制单位、整机单位、微系统研制单位和材料研究单位组成协作攻关队伍。

      2.国内混合集成电路行业的厂所把微系统封装的实现作为自己的战略目标之一,对科研、人才和设备作出规划,主动与系统单位、MEMS和纳米技术研制单位协作,组成产学研结合的攻关队伍。力争有所突破,成为微系统封装的主力军。

      3.中电元协和中国电子学会定期组织混合集成电路研制单位、微系统研制单位、MEMS和纳米技术研制单位的技术交流,打破行业壁垒,促进行业融合和合作。

      4.加速国内半导体行业、材料行业和设备行业的发展。混合集成电路技术是二次集成的手段,是建立在半导体集成技术、材料技术基础上的,依赖于设备进行生产和试验,只有国内的半导体集成电路行业、材料行业和设备行业获得了长足的进步,混合集成电路行业才可能立足于国内雄厚的工业基础,获得更大更快的发展。