堆栈封装技术是微电子组装技术向着轻、薄、小发展的必然产物。堆栈封装包括封装内封装（PiP）、芯片级封装（SoC）、系统级封装（SiP）和封装级系统（SoP）等。而本文通过将SiP与SoP进行比较，重点论述美国Georgia Tech公司的封装实验中心（PRC）开发研制的SoP技术。SiP是SoP的子系统。SoP通过采用埋置的薄膜RF、光学数字和敏感组件的系统封装IC协同设计使单封装实现了多功能系统的目标，并使组件密度达到2,500/cm2以上。采用这种系统集成的新方法，不仅可以实现小型化，而且还降低了成本和提高了性能及系统的可靠性。

SoP之概念

SoP概念绝不仅仅局限于把多块芯片放在封装内，就像IBM大约在20年前的陶瓷多芯片模块（MCM）那样，SoP问世之前，IBM的MCM是集成度最高的封装，使用铜线连接集成电路，但它不像SoP，没有嵌入薄膜组件，所以需要系统板。SoP也不同于单封装系统（SiP），SiP是大多数集成电路、封装和移动电话公司采用的另一种微型化技术。如果用SiP方法，裸露或者是封装的集成电路芯片通过三维排列方式相互堆栈。但SiP只能解决10%的系统问题，没有顾及体积庞大的无源组件这一问题。MCM或者SiP仍需接入到传统的系统板上。

封装的方法已从传统的分立组件的互连转变为薄膜组件集成。最初这种技术是在1993年由Georgia Tech公司开发出来的，现在这种技术在SiP模块中和在SoP板中的CMOS的IC上随意就能见到，其被作为一种覆盖层。封装级系统（SoP）是一种采用这种封装集成的系统理念，与SiP比较，就是模块化理念。SoP是一种系统中枢技术，这种技术是基于在有机板或封装中埋置薄膜组件，并与SiP模块、SoC器件和电池以及用户界面共同在短期内形成多功能系统和在长时间运行中的兆功能系统。其力图将各种不同的技术集成，使单封装实现多功能系统，同时，达到超小型的条件。这是与SiP的对比，这种比较是以IC为中心，并以CMOS芯片及其以裸芯片的形式或封装的芯片形式实施3D堆栈形成模块作为开始。因此，SiP是SoP的子系统。SoP通过采用埋置的薄膜RF、光学数字和敏感组件的系统封装IC协同设计实现这一目的，使组件密度达到2,500/cm2以上。

像SoC、MCM和SiP这样可替代的方法是根据CMOS的系统功能和封装的布线而定的。在这些方法中封装的作用与过去采用的方法相同，即使IC或组件形成互连。CMOS适用于晶体管等元器性和其它一些VCO和LNA这样的组件，不过，对于像电容、电感、滤波器、天线和光学波导管这样的其它几类功能组件不是最佳的平台。SoP范例在克服SoC和SiP的基本限制中而又采取的一个步骤，并成为系统集成的一个新定律。这一理念不仅可以实现小型化，而且还降低了成本和提高了性能及系统的可靠性。

此外，可与即将问世的收敛计算、生物配伍、通讯和客户系统趋势保持一致。可将SoP描述为“封装就是系统，而不是笨重的板子。”需强调的是，应意识到这种高集成度的功能封装的几个障碍和竞争焦点。图2所示是Georgia Tech公司的封装实验中心（PRC）的研究重点，通过混合信号设计、多功能制造和RF集成、光学、数字和敏感组件、混合信号测试和混合的可靠性来说明这些障碍。
 
 
应用于计算系统的SoP集成

在信号和功率完整性、EMI和具有超低损耗材料特性的超细间距封装中，新的和先进的系统集成理念可使封装内实现多千兆位数据传输，从而构成了新的系统结构。PRC为了实现这一目标，将数字系统集成重点放在先进的介电材料、导体和埋置的电容材料，包括像BCB、A-PPE这样的薄形、低损耗介电材料、使用10-15μm堆栈的微导通孔结构的50-100μm间距逸出布局和5-10μm超细线和新的低CTE、多模块和大面积复合基板来替代传统的有机基板。对于将来高速处理机在较低的操作电压下的较小噪音容差是以宽带带上的低阻抗功率（<0.5mΩ）为条件的。在高频下，尽可能将去耦电容紧密置位，以便使负载器件快速转换，这是很重要的。

当前电子工业的主要表面组装组件在几百MHz以上的高频去耦是笨拙不适用的，因为其电感过大。芯片上薄氧化层的去耦电感最低，不过，占据了硅的最有价值的实用面积。90年代中期，PRC率先在高K的封装内实施了埋置的去耦和在封装内应用了薄纳米复合介电材料。对于较高电容密度，无机薄膜与有机封装的集成呈上升的趋势。通常，高K、高电容密度陶瓷膜是采用高温工艺或成本昂贵的真空技术沉积的，这些技术不仅成本高，而且与有机封装不兼容。所以，低成本的化学溶液的方法引人入胜。

应用于无线通讯系统的SoP

对于数据、音频和视频的越来越高的速率需求推动着RF技术向着更高频率发展。像个人通讯网络、无线局域网络（WLAN）和RF光学网络这样的萌芽高性能应用提出了苛刻的技术规范，以往在这些应用中从没有对噪声、线性、功率损耗、尺寸、重量和成本这样重视。Si无线集成的限制得到了SoP的良好处理。像电容、滤波器、开关和高频及高Q电感这样的RF组件最好是在封装上制造，而不是在硅上制造。多数有机材料在高频下损耗就会提高，这样就使得形成高性能、低成本mm波（mm-wave）前端极为困难。例如：FR-4的高损耗达到10 GHz以上，这是众所周知的。由于设计规则和集成能力，当前的RF组件集成只限于厚膜LTCC和LCP封装。

最好是采用像LCP和BCB这样的超低损耗、薄的介电材料来处理低成本有机平台的高密度组件集成。严格的热稳定性要求（TCC和TCR<20ppm/℃）和介电材料的超低损耗将对无源组件材料的选择限制在很少的系统范围。板上的电阻占无源组件的50%。在低电阻率范围埋置的电阻的候选材料有NiCr, CrSi, Ni-P和 TaN 膜，而聚合物厚膜在较高电阻率应用需求方面看来仍可谓是佼佼者。对于像TaN晶体管和Ta2O5电容这样的各种薄膜无源组件的埋置RF功能已进行了说明。高Q芯片上电感是很难进行嵌入的，因为薄膜介电材料的高寄生电容、高导体电阻及有损基板。虽然，涌现出的几种半导体和MEMS封装技术可以改善on-Si电感的Q，但是，据报导，最大的Q系数要比在封装中获得的250-500低得多。直接在封装上安置天线的优点是可降低馈送器损耗和整个模块的尺寸。

多功能系统

新的应用领域呼吁更高的数据处理速度和计算能力，使得通讯和计算能力合并。当今主要应用于底板和用于高速板互连的光电子技术正向着封装的方向发展，作为芯片与芯片、替代铜的高速互连，因此，特别注重电子IC的电阻和串扰的问题。光电子SoP的重点是像激光、探测器数组、激光放大器这样的光学有源器件和像波导管、光栅和在电子互连混合信号SoP 上的光束分离器这样的光学无源组件器件的非均质集成。

具有RF/数字/光学集成的SoP的瞬时应用是一种小型化的单独封装，其可以支持计算、无线和客户功能。由于SoP还包括MEMS基传感器，除了数字和RF功能集成在一个微小型的封装中之外，你可以看到像用SoP技术制成的“电子药丸”这样的高集成度的多功能系统，其可以用于日常的感应、监控和分析人体全身各部位的功能，同时，还可对此信息进行无线通讯沟通，并通过局域网和卫星RF将这些信息发射到世界的任一地点。

SoP的应用领域越来越广

还记得集成相机和移动电话这一大胆之举吗？或者把移动电话功能添加到PDA？这种方法依赖的就是摩尔定律：集成电路上晶体管的数量每隔18个月就翻一番。在计算领域，芯片上更多的晶体管数量意味着速度更快、功能更多。不过，在许多情况下，按照摩尔定律的这些集成电路只占系统的10%，其它的90%仍没有微型化，体现在一系列体积庞大的分立组件，例如；电阻器、电容器，电感、天线、滤波器和开关，都是通过一两块印制电路板实现互连。真正的微型化需要更多的技术，目前部分公司采用的系统级封装SoP（System on Package）方法就是这样一项技术。

到目前为止，SoP的发展步伐远远超过了摩尔定律。它把集成电路与微米级薄膜形式的分立组件结合起来。把组件嵌入到一种新的封装中，采用这种小封装组件的手持设备最终将会成为具有超多功能的设备。开发的SoP产品将不单单适用于无线通信、计算和娱乐等应用领域，配备传感组件的SoP可以用来检测各种无害和有害物质，包括环境、食物和人体中的化学物质。

还有一种应用会融合生物、化学和数字技术，生成足够小的胶囊，可以引入监测个人的健康状况。胶囊可以用来检查生命体征、监测一系列参数，例如；葡萄糖含量、血压，乃至癌症征兆。然后，胶囊以无线方式把病人的健康状况发送给体外的Web终端，或者通过因特网发送给医生（或者任何地方的任何人），并可以按即定的时间间隔把药送到人体内的特定部位。

置于人体内的这种微型胶囊显然是一种颇有前景的产品，预计还会出现其它的许多产品。设想一下家庭娱乐和控制中心中的这类产品，其集语音、视频、数据、感测和控制等功能于一体。它可能包括家用电话、移动电话、娱乐及其它传感组件、健康监测设备、卫星电视接收器等装置。无线宽带连接可以把系统连接到因特网，这个中心就可以充当家里所有电器的遥控器。更令人惊叹的是它只有信用卡那么小。

全新的系统集成方案

用微米级组件做成的超多功能SoP部件可能只有英特尔奔腾处理器那样大，位于3.5厘米边长的扁平集成电路上。而采用纳米技术做成的SoP其边长只有一毫米大小。SoP产品会达到这么小的尺寸，因为这项技术针对的是系统中90%没有集成的部分。

SoP技术对系统采用了全然不同的方案。它缩小了体积庞大的电路板连同许多组件的尺寸，从而使它们几乎不占用空间。实际上，SoP为系统集成提出了一个新定律：随着组件尺寸缩小，电路板几乎消失，组件密度每过一年左右就会翻一番，SoP封装具有的系统功能也会以同样幅度增长。因而，SoP技术在系统微型化方面的效果远胜于摩尔定律，因为摩尔定律针对的只是集成电路内的晶体管。

大幅度地缩小了组件占用的空间是SoP发展的神圣使命。如果进展顺利，产品尺寸缩小的幅度不是现在通常预计的每几年缩小10倍，而将会是缩小几百倍、甚至几千倍。

如今，全世界的研究人员都在使用SoP，用新颖、独特、经济的方式结合不同技术。大家都在研究数字、仿真、射频甚至光电路以及诸多传感组件，从而获得超小尺寸的产品。

到2010年，将会出现一个超越摩尔定律的趋势，即微电子组装行业将专注于系统级集成，而不是晶体管密度，其将带来革命性的超多功能的电子器件。我们将堆栈封装技术称之为第四次革命，那么，超越摩尔定律的趋势可谓是第五次微电子组装的革命。