全面解读SiP

来源：原文来自“System in Package”，作者Paul McLellan；部分内容转载自【EDA365，“超越摩尔之路——SiP简介”】

SiP是组装在同一个封装中的两个或多个不同的芯片。这些芯片可能大不相同，包括微机电系统（MEMS）、传感器、天线和无源元件，以及更显眼的数字芯片、模拟芯片和存储器芯片。唯一例外的是将单个芯片放入封装中——但即使一个封装里面只有一颗片上系统（SoC）也不能称作SiP。这也许有点矛盾，但符合一句格言， “系统级总是最高级” 。

SiP——超越摩尔定律的必然选择路径

摩尔定律确保了芯片性能的不断的提高。众所周知，摩尔定律是半导体行业发展的“圣经”。在硅基半导体上，每18个月实现晶体管的特征尺寸缩小一半，性能提升一倍。在性能提升的同时，带来成本的下降，这使得半导体厂商有足够的动力去实现半导体特征尺寸的缩小。这其中，处理器芯片和存储芯片是最遵从摩尔定律的两类芯片。以Intel为例，每一代的产品完美地遵循摩尔定律。在芯片层面上，摩尔定律促进了性能的不断往前推进。

SiP是解决系统桎梏的胜负手。把多个半导体芯片和无源器件封装在同一个芯片内，组成一个系统级的芯片，而不再用PCB板来作为承载芯片连接之间的载体，能解决因为PCB自身的先天不足带来系统性能遇到瓶颈的问题。以处理器和存储芯片举例，因为系统级封装内部走线的密度可以远高于PCB走线密度，从而解决PCB线宽带来的系统瓶颈。举例而言，因为存储器芯片和处理器芯片能够最终靠穿孔的方式连接在一起，不再受PCB线宽的限制，从而能轻松实现数据带宽在接口带宽上的提升。

SiP有多种形式，包括从高端的带硅通孔（TSV）的硅interposer和芯片到低端带引线键合芯片的BGA（就像老一代iPhone中的Ax芯片）。过去，SiP受到一个悖论的限制：如果SiP更便宜，便会有更多人使用它们，但是假如没有大量的量产应用，成本仍然很高。但是移动电子消费品的市场如此之大，动辄上亿，这在一夕之间改变了这种两难境地。

另一个驱动SiP发展的因素是物联网（IoT）。几乎任何物联网设备都包含传感器、计算器件、通信设备（通常是无线的），以及存储器。这些不可能利用同一制程制造，也就无法在同一个芯片上制造，所以在SiP级别进行集成更为可行。物联网的两大驱动因素是传感器成本的降低，以及多芯片封装和模块的低成本。市场容量受到SiP成本的影响，而SiP成本又会影响到市场容量，两者相辅相成。

SiP——为应用而生

主要应用领域：无线通讯、汽车电子、医疗电子、计算机、军用电子等

德州仪器公司

德州仪器公司的MicroSiP是一个电源设备。尺寸仅为2.9mm x 2.3mm x 1mm，这中间还包括安装在顶部的电感，以减少电路板空间。

Microsemi公司

Microsemi已将芯片嵌入到基板中，与之前的版本相比，面积减少了400%。它具有很高的可靠性，符合植入式元件的MIL标准。这种方法也适用于其他需要高可靠性的环境，如航空航天、汽车和工业传感领域。在此举一个改进示例——超薄嵌入式芯片，其叠层厚度为0.5mm，模块总高度约为1mm（这是分立元件的极限）。

Apple公司

根据Chipworks的x光分析表明，苹果手表的S1“芯片”其实就是一个SiP，其中包含大约30个集成电路、许多无源元件，除封装本身之外，还有一个ST加速度计/陀螺仪。

AMD公司

AMD的图形处理器用作硅中介层和硅通孔。它在1.011mm2的中介层中心安装了一个595mm2的专用集成电路（ASIC），这个ASIC周围有四个高带宽存储器（HBM）叠层（每个叠层由一个逻辑芯片和四个堆叠在顶部的动态随机存取存储器（DRAM）芯片组成）。互连超过200,000个，包括铜柱凸块和C4凸块。中介层有65,000个直径为10um的硅通孔。

索尼公司

CMOS图像传感器（CIS）的最先进的技术不是像过去那样将图像传感器的正面暴露在光线下，而是将图像传感器变薄，使其对光线透明，然后将其翻转到下方的图像传感器处理器（ISP）芯片上，因此不再需要任何TSV。传感器接收到的光穿过变薄的芯片背面。

索尼已在三层堆叠结构上更进一步。顶部是图像传感器，中间是DRAM层，底部是ISP（图像信号处理器）。来自图像传感器的信号实际上直接通过DRAM层到达处理器，然后返回存储器。这是第一个使用晶圆接合的商业化三层堆叠结构。实际上，它用在了一款高端手机上，即索尼Experia XZ，这款手机于2017年2月在MWC（世界移动通信大会）大会上推出。图像传感器和（DRAM）的厚度减薄到了2.6um！几十年前，这是晶体管的大小。

索尼不仅是图像传感器领域的领先者，在包括苹果手机在内的大多数高端手机领域也是如此。索尼在2017年推出的这款手机能达到960fps，已经相当令人惊艳了。

诺基亚公司

诺基亚SiP适用于企业路由器，因此不属于像移动设备这样对成本非常敏感的市场。它的处理速度可达100TB/s甚至更高。含有22个芯片，这中间还包括定制存储器。整个路由器的尺寸与游戏机相当，却可以同时处理令人难以置信的视频流（Netflix、YouTube等）。

为智能手机量身定制

SiP在无线通信领域的应用最早，也是应用最为广泛的领域。在无线通讯领域，对于功能传输效率、噪声、体积、重量以及成本等多方面要求慢慢的升高，迫使无线通讯向低成本、便携式、多功能和高性能等方向发展。SiP是理想的解决方案，综合了现有的芯核资源和半导体生产的基本工艺的优势，减少相关成本，缩短上市时间，同时克服了SOC中诸如工艺兼容、信号混合、噪声干扰、电磁干扰等难度。手机中的射频功放，集成了射频功放、功率控制及收发转换开关等功能，完整的在SiP中得到了解决。

手机轻薄化带来SiP需求增长。手机是SiP封装最大的市场。随着智能手机越做越轻薄，对于SiP的需求自然水涨船高。从2011-2015年，各个品牌的手机厚度都在不断缩减。轻薄化对组装部件的厚度自然有慢慢的升高的要求。以iphone 6s为例，已大幅缩减PCB的使用量，很多芯片元件都会做到SiP模块里，而到了iPhone8，有很大的可能是苹果第一款全机采用SiP的手机。这在某种程度上预示着，iPhone8一方面可以做得更加轻薄，另一方面会有更多的空间容纳其他功能模块，比如说更强大的摄像头、扬声器，以及电池。

苹果手表应用的技术最为先进。在尺寸26mm x 28mm的封装中含有许多器件。手表对尺寸的严格约束意味着不使用SiP技术就不可能构建整个系统。下图是苹果手表的电路板，可以更清晰的了解该级别的设计：

触控芯片。在Iphone6中，触控芯片有两颗，分别由Broadcom和TI提供，而在6S中，将这两颗封在了同一个package内，实现了SiP的封装。而未来会进一步将TDDI整个都封装在一起。iPhone6s中展示了新一代的3D Touch技术。触控感应检测可以穿透绝缘材料外壳，通过检测人体手指带来的电压变化，判断出人体手指的触摸动作，从而实现不同的功能。而触控芯片就是要采集接触点的电压值，将这些电极电压信号经过处理转换成坐标信号，并根据坐标信号控制手机做出相应功能的反应，从而实现其控制功能。3D Touch的出现，对触控模组的处理能力和性能提出了更高的要求，其复杂结构要求触控芯片采用SiP组装，触觉反馈功能加强其操作友好性。

指纹识别同样采用了SiP封装。将传感器和控制芯片封装在一起，从iPhone 5开始，就采取了相类似的技术。

快速增长的SiP市场

市场规模 & 渗透率迅速提升

2013-2016年SiP市场复合年均增长率为15%。2016年全球SiP产值约为64.94亿美元，较2015年成长17.4%左右；在智慧型手机出货量持续高位，以及Apple Watch 等穿戴式产品问世下，全球SiP产值估计将继续增长。

以2016-2018年为周期，我们来计算SiP在智能手机市场三年内的市场规模。假设SiP的单价每年降价10%，智能手机出货量年增3%。能够正常的看到，SiP在智能手机中的新增市场规模的复合年均增长率为192%, 非常可观。

从制造到封测——逐渐融合的SiP产业链

从产业链的变革、产业格局的变化来看，今后电子产业链将不再只是传统的垂直式链条：终端设备厂商——IC设计公司——封测厂商、Foundry厂、IP设计公司，产品的设计将同时调动封装厂商、基板厂商、材料厂、IC设计公司、系统厂商、Foundry厂、器件厂商（如TDK、村田）、存储大厂（如三星）等彼此交叉协作，共同实现产业升级。未来系统将带动封装业进一步发展，反之高端封装也将推动系统终端繁荣。未来系统厂商与封装厂的直接对接将会慢慢的多，而IC设计公司则将可能向IP设计或者直接出售晶圆两个方向去发展。

由于封测厂几乎难以向上游跨足晶圆代工领域，而晶圆代工厂却能基于制程技术优势跨足下游封测代工，尤其是在高阶SiP领域方面；因此，晶圆代工厂跨入SiP封装业务，将与封测厂从单纯上下游合作伙伴关系，转向微妙的竞合关系。

封测厂一方面可朝差异化发展以区隔市场，另一方面也可选择与晶圆代工厂进行技术合作，或是以技术授权等方式，搭配封测厂庞大的产能基础进行接单量产，共同扩大市场。此外，晶圆代工厂所发展的高阶异质封装，其部分制程步骤仍须专业封测厂以现有技术协助完成，因此双方仍有合作立基点。

总结

SiP促成了许多产品的实现，尤其是：

手机、平板、笔记本

固态硬盘（SSD）

物联网（IoT）设备

汽车安全系统，包括雷达

医用可穿戴设备

高性能计算（HPC）系统

其中，主要的驱动因素便是性能和外形。但对低成本解决方案的需求推动了新封装设计的采用，这些因素缺一不可。此外，经济和商业决策也是一个很大的驱动因素，有时还有技术性能方面的考虑（例如70GHz雷达）。

随着摩尔定律这一趋势减缓，而最先进的工艺不再适用于许多模拟或射频设计，SiP会成为首选的集成方法之一，集成是“超越摩尔定律”的一个关键方面，而SiP将在不单纯依赖半导体工艺的面积缩放的情况下，实现更高的集成度。

SiP代表了行业的发展趋势：芯片发展从一味追求功耗下降及性能提升（摩尔定律），转向更加务实的满足市场的需求（超越摩尔定律），SiP是实现的重要路径。SiP从终端电子科技类产品角度出发，不再一味关注芯片本身的性能/功耗，而去实现整个终端电子科技类产品的轻薄短小、多功能、低功耗等特性；在行动装置与穿戴装置等轻巧型产品兴起后，SiP的重要性日益显现。

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