全面解讀SiP_風聞

來源：原文來自“System in Package”，作者Paul McLellan；部分內容轉載自【EDA365，“超越摩爾之路——SiP簡介”】

SiP是組裝在同一個封裝中的兩個或多個不同的芯片。這些芯片可能大不相同，包括微機電系統（MEMS）、傳感器、天線和無源元件，以及更顯眼的數字芯片、模擬芯片和存儲器芯片。唯一例外的是將單個芯片放入封裝中——但即使一個封裝裏面只有一顆片上系統（SoC）也不能稱作SiP。這也許有點矛盾，但符合一句格言， “系統級總是最高級” 。

SiP——超越摩爾定律的必然選擇路徑

摩爾定律確保了芯片性能的不斷提升。眾所周知，摩爾定律是半導體行業發展的“聖經”。在硅基半導體上，每18個月實現晶體管的特徵尺寸縮小一半，性能提升一倍。在性能提升的同時，帶來成本的下降，這使得半導體廠商有足夠的動力去實現半導體特徵尺寸的縮小。這其中，處理器芯片和存儲芯片是最遵從摩爾定律的兩類芯片。以Intel為例，每一代的產品完美地遵循摩爾定律。在芯片層面上，摩爾定律促進了性能的不斷往前推進。

SiP是解決系統桎梏的勝負手。把多個半導體芯片和無源器件封裝在同一個芯片內，組成一個系統級的芯片，而不再用PCB板來作為承載芯片連接之間的載體，可以解決因為PCB自身的先天不足帶來系統性能遇到瓶頸的問題。以處理器和存儲芯片舉例，因為系統級封裝內部走線的密度可以遠高於PCB走線密度，從而解決PCB線寬帶來的系統瓶頸。舉例而言，因為存儲器芯片和處理器芯片可以通過穿孔的方式連接在一起，不再受PCB線寬的限制，從而可以實現數據帶寬在接口帶寬上的提升。

SiP有多種形式，包括從高端的帶硅通孔（TSV）的硅interposer和芯片到低端帶引線鍵合芯片的BGA（就像老一代iPhone中的Ax芯片）。過去，SiP受到一個悖論的限制：如果SiP更便宜，便會有更多人使用它們，但是如果沒有大量的量產應用，成本仍然很高。但是移動電子消費品的市場如此之大，動輒上億，這在一夕之間改變了這種兩難境地。

另一個驅動SiP發展的因素是物聯網（IoT）。幾乎任何物聯網設備都包含傳感器、計算器件、通信設備（通常是無線的），以及存儲器。這些不可能利用同一製程製造，也就無法在同一個芯片上製造，所以在SiP級別進行集成更為可行。物聯網的兩大驅動因素是傳感器成本的降低，以及多芯片封裝和模塊的低成本。市場容量受到SiP成本的影響，而SiP成本又會影響到市場容量，兩者相輔相成。

SiP——為應用而生

**主要應用領域：**無線通訊、汽車電子、醫療電子、計算機、軍用電子等

德州儀器公司

德州儀器公司的MicroSiP是一個電源設備。尺寸僅為2.9mm x 2.3mm x 1mm，其中包括安裝在頂部的電感，以減少電路板空間。

Microsemi公司

Microsemi已將芯片嵌入到基板中，與之前的版本相比，面積減少了400%。它具有很高的可靠性，符合植入式元件的MIL標準。這種方法也適用於其他需要高可靠性的環境，如航空航天、汽車和工業傳感領域。在此舉一個改進示例——超薄嵌入式芯片，其疊層厚度為0.5mm，模塊總高度約為1mm（這是分立元件的極限）。

Apple公司

根據Chipworks的x光分析表明，蘋果手錶的S1“芯片”實際上是一個SiP，其中包含大約30個集成電路、許多無源元件，除封裝本身之外，還有一個ST加速度計/陀螺儀。

AMD公司

AMD的圖形處理器用作硅中介層和硅通孔。它在1.011mm2的中介層中心安裝了一個595mm2的專用集成電路（ASIC），這個ASIC周圍有四個高帶寬存儲器（HBM）疊層（每個疊層由一個邏輯芯片和四個堆疊在頂部的動態隨機存取存儲器（DRAM）芯片組成）。互連超過200,000個，包括銅柱凸塊和C4凸塊。中介層有65,000個直徑為10um的硅通孔。

索尼公司

CMOS圖像傳感器（CIS）的最先進技術不是像過去那樣將圖像傳感器的正面暴露在光線下，而是將圖像傳感器變薄，使其對光線透明，然後將其翻轉到下方的圖像傳感器處理器（ISP）芯片上，因此不再需要任何TSV。傳感器接收到的光穿過變薄的芯片背面。

索尼已在三層堆疊結構上更進一步。頂部是圖像傳感器，中間是DRAM層，底部是ISP（圖像信號處理器）。來自圖像傳感器的信號實際上直接通過DRAM層到達處理器，然後返回存儲器。這是第一個使用晶圓接合的商業化三層堆疊結構。實際上，它用在了一款高端手機上，即索尼Experia XZ，這款手機於2017年2月在MWC（世界移動通信大會）大會上推出。圖像傳感器和（DRAM）的厚度減薄到了2.6um！幾十年前，這是晶體管的大小。

索尼不僅是圖像傳感器領域的領先者，在包括蘋果手機在內的大多數高端手機領域也是如此。索尼在2017年推出的這款手機能達到960fps，已經相當令人驚豔了。

諾基亞公司

諾基亞SiP適用於企業路由器，因此不屬於像移動設備這樣對成本非常敏感的市場。它的處理速度可達100TB/s甚至更高。含有22個芯片，其中包括定製存儲器。整個路由器的尺寸與遊戲機相當，卻可以同時處理令人難以置信的視頻流（Netflix、YouTube等）。

為智能手機量身定製

SiP在無線通信領域的應用最早，也是應用最為廣泛的領域。在無線通訊領域，對於功能傳輸效率、噪聲、體積、重量以及成本等多方面要求越來越高，迫使無線通訊向低成本、便攜式、多功能和高性能等方向發展。SiP是理想的解決方案，綜合了現有的芯核資源和半導體生產工藝的優勢，降低成本，縮短上市時間，同時克服了SOC中諸如工藝兼容、信號混合、噪聲干擾、電磁干擾等難度。手機中的射頻功放，集成了射頻功放、功率控制及收發轉換開關等功能，完整的在SiP中得到了解決。

手機輕薄化帶來SiP需求增長。手機是SiP封裝最大的市場。隨着智能手機越做越輕薄，對於SiP的需求自然水漲船高。從2011-2015年，各個品牌的手機厚度都在不斷縮減。輕薄化對組裝部件的厚度自然有越來越高的要求。以iphone 6s為例，已大幅縮減PCB的使用量，很多芯片元件都會做到SiP模塊裏，而到了iPhone8，有可能是蘋果第一款全機採用SiP的手機。這意味着，iPhone8一方面可以做得更加輕薄，另一方面會有更多的空間容納其他功能模塊，比如説更強大的攝像頭、揚聲器，以及電池。

蘋果手錶應用的技術最為先進。在尺寸26mm x 28mm的封裝中含有許多器件。手錶對尺寸的嚴格約束意味着不使用SiP技術就不可能構建整個系統。下圖是蘋果手錶的電路板，可以更清晰的瞭解該級別的設計：

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package內，實現了SiP的封裝。而未來會進一步將TDDI整個都封裝在一起。iPhone6s中展示了新一代的3D Touch技術。觸控感應檢測可以穿透絕緣材料外殼，通過檢測人體手指帶來的電壓變化，判斷出人體手指的觸摸動作，從而實現不同的功能。而觸控芯片就是要採集接觸點的電壓值，將這些電極電壓信號經過處理轉換成座標信號，並根據座標信號控制手機做出相應功能的反應，從而實現其控制功能。3D Touch的出現，對觸控模組的處理能力和性能提出了更高的要求，其複雜結構要求觸控芯片採用SiP組裝，觸覺反饋功能加強其操作友好性。

指紋識別同樣採用了SiP封裝。將傳感器和控制芯片封裝在一起，從iPhone 5開始，就採取了相類似的技術。

快速增長的SiP市場

市場規模 & 滲透率迅速提升

2013-2016年SiP市場複合年均增長率為15%。2016年全球SiP產值約為64.94億美元，較2015年成長17.4%左右；在智慧型手機出貨量持續高位，以及Apple Watch 等穿戴式產品問世下，全球SiP產值估計將繼續增長。

以2016-2018年為週期，我們來計算SiP在智能手機市場三年內的市場規模。假設SiP的單價每年降價10%，智能手機出貨量年增3%。可以看到，SiP在智能手機中的新增市場規模的複合年均增長率為192%, 非常可觀。

從製造到封測——逐漸融合的SiP產業鏈

從產業鏈的變革、產業格局的變化來看，今後電子產業鏈將不再只是傳統的垂直式鏈條：終端設備廠商——IC設計公司——封測廠商、Foundry廠、IP設計公司，產品的設計將同時調動封裝廠商、基板廠商、材料廠、IC設計公司、系統廠商、Foundry廠、器件廠商（如TDK、村田）、存儲大廠（如三星）等彼此交叉協作，共同實現產業升級。未來系統將帶動封裝業進一步發展，反之高端封裝也將推動系統終端繁榮。未來系統廠商與封裝廠的直接對接將會越來越多，而IC設計公司則將可能向IP設計或者直接出售晶圓兩個方向去發展。

由於封測廠幾乎難以向上遊跨足晶圓代工領域，而晶圓代工廠卻能基於製程技術優勢跨足下游封測代工，尤其是在高階SiP領域方面；因此，晶圓代工廠跨入SiP封裝業務，將與封測廠從單純上下游合作關係，轉向微妙的競合關係。

封測廠一方面可朝差異化發展以區隔市場，另一方面也可選擇與晶圓代工廠進行技術合作，或是以技術授權等方式，搭配封測廠龐大的產能基礎進行接單量產，共同擴大市場。此外，晶圓代工廠所發展的高階異質封裝，其部分製程步驟仍須專業封測廠以現有技術協助完成，因此雙方仍有合作立基點。

總結

SiP促成了許多產品的實現，尤其是：

手機、平板、筆記本固態硬盤（SSD）物聯網（IoT）設備汽車安全系統，包括雷達醫用可穿戴設備高性能計算（HPC）系統

其中，主要的驅動因素便是性能和外形。但對低成本解決方案的需求推動了新封裝設計的採用，這些因素缺一不可。此外，經濟和商業決策也是一個很大的驅動因素，有時還有技術性能方面的考慮（例如70GHz雷達）。

隨着摩爾定律這一趨勢減緩，而最先進的工藝不再適用於許多模擬或射頻設計，SiP會成為首選的集成方法之一，集成是“超越摩爾定律”的一個關鍵方面，而SiP將在不單純依賴半導體工藝的面積縮放的情況下，實現更高的集成度。

SiP代表了行業的發展方向：芯片發展從一味追求功耗下降及性能提升（摩爾定律），轉向更加務實的滿足市場的需求（超越摩爾定律），SiP是實現的重要路徑。SiP從終端電子產品角度出發，不再一味關注芯片本身的性能/功耗，而去實現整個終端電子產品的輕薄短小、多功能、低功耗等特性；在行動裝置與穿戴裝置等輕巧型產品興起後，SiP的重要性日益顯現。

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