轉(zhuǎn)自半導(dǎo)體在線(xiàn)  2021年9月25日

SiP——為應(yīng)用而生

6.3.1.主要應(yīng)用領(lǐng)域

SiP的應(yīng)用非常廣泛，主要包括：無(wú)線(xiàn)通訊、汽車(chē)電子、醫(yī)療電子、計(jì)算機(jī)、軍用電子等。

應(yīng)用最為廣泛的無(wú)線(xiàn)通訊領(lǐng)域。SiP在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域的應(yīng)用最早，也是應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域。在無(wú)線(xiàn)通訊領(lǐng)域，對(duì)于功能傳輸效率、噪聲、體積、重量以及成本等多方面要求越來(lái)越高，迫使無(wú)線(xiàn)通訊向低成本、便攜式、多功能和高性能等方向發(fā)展。SiP是理想的解決方案，綜合了現(xiàn)有的芯核資源和半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝的優(yōu)勢(shì)，降低成本，縮短上市時(shí)間，同時(shí)克服了SOC中諸如工藝兼容、信號(hào)混合、噪聲干擾、電磁干擾等難度。手機(jī)中的射頻功放，集成了頻功放、功率控制及收發(fā)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等功能，完整的在SiP中得到了解決。

汽車(chē)電子是SiP的重要應(yīng)用場(chǎng)景。汽車(chē)電子里的SiP應(yīng)用正在逐漸增加。以發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）舉例，ECU由微處理器（CPU）、存儲(chǔ)器（ROM、RAM）、輸入/輸出接口（I/O）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）以及整形、驅(qū)動(dòng)等大規(guī)模集成電路組成。各類(lèi)型的芯片之間工藝不同，目前較多采用SiP的方式將芯片整合在一起成為完整的控制系統(tǒng)。另外，汽車(chē)防抱死系統(tǒng)(ABS)、燃油噴射控制系統(tǒng)、安全氣囊電子系統(tǒng)、方向盤(pán)控制系統(tǒng)、輪胎低氣壓報(bào)警系統(tǒng)等各個(gè)單元，采用SiP的形式也在不斷增多。此外，SIP技術(shù)在快速增長(zhǎng)的車(chē)載辦公系統(tǒng)和娛樂(lè)系統(tǒng)中也獲得了成功的應(yīng)用。

醫(yī)療電子需要可靠性和小尺寸相結(jié)合，同時(shí)兼具功能性和壽命。在該領(lǐng)域的典型應(yīng)用為可植入式電子醫(yī)療器件，比如膠囊式內(nèi)窺鏡。內(nèi)窺鏡由光學(xué)鏡頭、圖像處理芯片、射頻信號(hào)發(fā)射器、天線(xiàn)、電池等組成。其中圖像處理芯片屬于數(shù)字芯片、射頻信號(hào)發(fā)射器則為模擬芯片、天線(xiàn)則為無(wú)源器件。將這些器件集中封裝在一個(gè)SiP之內(nèi)，可以完美地解決性能和小型化的要求。

 SiP在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用主要來(lái)自于將處理器和存儲(chǔ)器集成在一起。以GPU舉例，通常包括圖形計(jì)算芯片和SDRAM。而兩者的封裝方式并不相同。圖形計(jì)算方面都采用標(biāo)準(zhǔn)的塑封焊球陣列多芯片組件方式封裝，而這種方式對(duì)于SDRAM并不適合。因此需要將兩種類(lèi)型的芯片分別封裝之后，再以SiP的形式封裝在一起。

SiP在其他消費(fèi)類(lèi)電子中也有很多應(yīng)用。這其中包括了ISP（圖像處理芯片）、藍(lán)牙芯片等。ISP是數(shù)碼相機(jī)、掃描儀、攝像頭、玩具等電子產(chǎn)品的核心器件，其通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后實(shí)現(xiàn)圖像的處理、顯示和存儲(chǔ)。圖像傳感器包括一系列不同類(lèi)型的元器件，如CCD、COMS圖像傳感器、接觸圖像傳感器、電荷載入器件、光學(xué)二極管陣列、非晶硅傳感器等，SiP技術(shù)無(wú)疑是一種理想的封裝技術(shù)解決方案。

 藍(lán)牙系統(tǒng)一般由無(wú)線(xiàn)部分、鏈路控制部分、鏈路管理支持部分和主終端接口組成，SiP技術(shù)可以使藍(lán)牙做得越來(lái)越小迎合了市場(chǎng)的需求，從而大力推動(dòng)了藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用。SiP完成了在一個(gè)超小型封裝內(nèi)集成了藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)技術(shù)功能所需的全部原件（無(wú)線(xiàn)電、基帶處理器、ROM、濾波器及其他分立元件）。

軍事電子產(chǎn)品具有高性能、小型化、多品種和小批量等特點(diǎn)，SiP技術(shù)順應(yīng)了軍事電子的應(yīng)用需求，因此在這一技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)和發(fā)展前景。SiP產(chǎn)品涉及衛(wèi)星、運(yùn)載火箭、飛機(jī)、導(dǎo)彈、雷達(dá)、巨型計(jì)算機(jī)等軍事裝備，最具典型性的應(yīng)用產(chǎn)品是各種頻段的收發(fā)組件。

6.3.2. SiP—為智能手機(jī)量身定制

手機(jī)輕薄化帶來(lái)SiP需求增長(zhǎng)。手機(jī)是SiP封裝最大的市場(chǎng)。隨著智能手機(jī)越做越輕薄，對(duì)于SiP的需求自然水漲船高。從2011-2015，各個(gè)品牌的手機(jī)厚度都在不斷縮減。輕薄化對(duì)組裝部件的厚度自然有越來(lái)越高的要求。以iPhone 6s為例，已大幅縮減PCB的使用量，很多芯片元件都會(huì)做到SiP模塊里，而到了iPhone8，有可能是蘋(píng)果第一款全機(jī)采用SiP的手機(jī)。這意味著，iPhone8一方面可以做得更加輕薄，另一方面會(huì)有更多的空間容納其他功能模塊，比如說(shuō)更強(qiáng)大的攝像頭、揚(yáng)聲器，以及電池。

從蘋(píng)果產(chǎn)品看SiP應(yīng)用。蘋(píng)果是堅(jiān)定看好SiP應(yīng)用的公司，蘋(píng)果在之前Apple Watch上就已經(jīng)使用了SiP封裝。

除了手表以外，蘋(píng)果手機(jī)中使用SiP的顆數(shù)也在逐漸增多。列舉有：觸控芯片，指紋識(shí)別芯片，RFPA等。

觸控芯片。在Iphone6中，觸控芯片有兩顆，分別由Broadcom和TI提供，而在6S中，將這兩顆封在了同一個(gè)package內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了SiP的封裝。而未來(lái)會(huì)進(jìn)一步將TDDI整個(gè)都封裝在一起。iPhone6s中展示了新一代的3D Touch技術(shù)。觸控感應(yīng)檢測(cè)可以穿透絕緣材料外殼，通過(guò)檢測(cè)人體手指帶來(lái)的電壓變化，判斷出人體手指的觸摸動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)不同的功能。而觸控芯片就是要采集接觸點(diǎn)的電壓值，將這些電極電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)處理轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)信號(hào)，并根據(jù)坐標(biāo)信號(hào)控制手機(jī)做出相應(yīng)功能的反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)其控制功能。3D Touch的出現(xiàn)，對(duì)觸控模組的處理能力和性能提出了更高的要求，其復(fù)雜結(jié)構(gòu)要求觸控芯片采用SiP組裝，觸覺(jué)反饋功能加強(qiáng)其操作友好性。

指紋識(shí)別同樣采用了SiP封裝。將傳感器和控制芯片封裝在一起，從iPhone 5開(kāi)始，就采取了相類(lèi)似的技術(shù)。

RFPA模塊。手機(jī)中的RFPA是最常用SiP形式的。iPhone 6S也同樣不例外，在iPhone 6S中，有多顆RFPA芯片，都是采用了SiP。

按照蘋(píng)果的習(xí)慣，所有應(yīng)用成熟的技術(shù)會(huì)傳給下一代，我們判斷，即將問(wèn)世的蘋(píng)果iPhone7會(huì)更多地采取SiP技術(shù)，而未來(lái)的iPhone7s、iPhone8會(huì)更全面，更多程度的利用SiP技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部空間的壓縮。

SoC和SIP

自集成電路器件的封裝從單個(gè)組件的開(kāi)發(fā)，進(jìn)入到多個(gè)組件的集成后，隨著產(chǎn)品效能的提升以及對(duì)輕薄和低耗需求的帶動(dòng)下，邁向封裝整合的新階段。在此發(fā)展方向的引導(dǎo)下，形成了電子產(chǎn)業(yè)上相關(guān)的兩大新主流：系統(tǒng)單芯片SoC（System on Chip）與系統(tǒng)化封裝SIP（System in a Package）。

SoC與SIP是極為相似，兩者均將一個(gè)包含邏輯組件、內(nèi)存組件，甚至包含被動(dòng)組件的系統(tǒng)，整合在一個(gè)單位中。

SoC是從設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，是將系統(tǒng)所需的組件高度集成到一塊芯片上。

SIP是從封裝的立場(chǎng)出發(fā)，對(duì)不同芯片進(jìn)行并排或疊加的封裝方式，將多個(gè)具有不同功能的有源電子元件與可選無(wú)源器件，以及諸如MEMS或者光學(xué)器件等其他器件優(yōu)先組裝到一起，實(shí)現(xiàn)一定功能的單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)封裝件。

構(gòu)成SIP技術(shù)的要素是封裝載體與組裝工藝，前者包括PCB、LTCC、Silicon Submount（其本身也可以是一塊IC），后者包括傳統(tǒng)封裝工藝（Wire bond和Flip Chip）和SMT設(shè)備。無(wú)源器件是SIP的一個(gè)重要組成部分，如傳統(tǒng)的電容、電阻、電感等，其中一些可以與載體集成為一體，另一些如精度高、Q值高、數(shù)值高的電感、電容等通過(guò)SMT組裝在載體上。

從集成度而言，一般情況下，SoC只集成AP之類(lèi)的邏輯系統(tǒng)，而SiP集成了AP+mobile DDR，某種程度上說(shuō)SIP=SoC+DDR，隨著將來(lái)集成度越來(lái)越高，emmc也很有可能會(huì)集成到SIP中。

從封裝發(fā)展的角度來(lái)看，因電子產(chǎn)品在體積、處理速度或電性特性各方面的需求考量下，SoC曾經(jīng)被確立為未來(lái)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵與發(fā)展方向。但隨著近年來(lái)SoC生產(chǎn)成本越來(lái)越高，頻頻遭遇技術(shù)障礙，造成SoC的發(fā)展面臨瓶頸，進(jìn)而使SIP的發(fā)展越來(lái)越被業(yè)界重視。

SIP的封裝形態(tài)

SIP封裝技術(shù)采取多種裸芯片或模塊進(jìn)行排列組裝，若就排列方式進(jìn)行區(qū)分可大體分為平面式2D封裝和3D封裝的結(jié)構(gòu)。相對(duì)于2D封裝，采用堆疊的3D封裝技術(shù)又可以增加使用晶圓或模塊的數(shù)量，從而在垂直方向上增加了可放置晶圓的層數(shù)，進(jìn)一步增強(qiáng)SIP技術(shù)的功能整合能力。而內(nèi)部接合技術(shù)可以是單純的線(xiàn)鍵合（Wire Bonding），也可使用覆晶接合（Flip Chip），也可二者混用。

另外，除了2D與3D的封裝結(jié)構(gòu)外，還可以采用多功能性基板整合組件的方式——將不同組件內(nèi)藏于多功能基板中，達(dá)到功能整合的目的。不同的芯片排列方式，與不同的內(nèi)部接合技術(shù)搭配，使SIP的封裝形態(tài)產(chǎn)生多樣化的組合，并可依照客戶(hù)或產(chǎn)品的需求加以客制化或彈性生產(chǎn)。

SIP的技術(shù)難點(diǎn)

SIP的主流封裝形式是BGA，但這并不是說(shuō)具備傳統(tǒng)先進(jìn)封裝技術(shù)就掌握了SIP技術(shù)。

對(duì)于電路設(shè)計(jì)而言，三維芯片封裝將有多個(gè)裸片堆疊，如此復(fù)雜的封裝設(shè)計(jì)將帶來(lái)很多問(wèn)題：比如多芯片集成在一個(gè)封裝內(nèi)，芯片如何堆疊起來(lái)；再比如復(fù)雜的走線(xiàn)需要多層基板，用傳統(tǒng)的工具很難布通走線(xiàn)；還有走線(xiàn)之間的間距，等長(zhǎng)設(shè)計(jì)，差分對(duì)設(shè)計(jì)等問(wèn)題。 

此外，隨著模塊復(fù)雜度的增加和工作頻率（時(shí)鐘頻率或載波頻率）的提高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度會(huì)不斷增加，設(shè)計(jì)者除具備必要的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)外，系統(tǒng)性能的數(shù)值仿真也是必不可少的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。 

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