轉自半導體在線  2021年9月25日

SiP——為應用而生

6.3.1.主要應用領域

SiP的應用非常廣泛，主要包括：無線通訊、汽車電子、醫療電子、計算機、軍用電子等。

應用最為廣泛的無線通訊領域。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。

汽車電子是SiP的重要應用場景。汽車電子里的SiP應用正在逐漸增加。以發動機控制單元（ECU）舉例，ECU由微處理器（CPU）、存儲器（ROM、RAM）、輸入/輸出接口（I/O）、模數轉換器（A/D）以及整形、驅動等大規模集成電路組成。各類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。另外，汽車防抱死系統(ABS)、燃油噴射控制系統、安全氣囊電子系統、方向盤控制系統、輪胎低氣壓報警系統等各個單元，采用SiP的形式也在不斷增多。此外，SIP技術在快速增長的車載辦公系統和娛樂系統中也獲得了成功的應用。

醫療電子需要可靠性和小尺寸相結合，同時兼具功能性和壽命。在該領域的典型應用為可植入式電子醫療器件，比如膠囊式內窺鏡。內窺鏡由光學鏡頭、圖像處理芯片、射頻信號發射器、天線、電池等組成。其中圖像處理芯片屬于數字芯片、射頻信號發射器則為模擬芯片、天線則為無源器件。將這些器件集中封裝在一個SiP之內，可以完美地解決性能和小型化的要求。

 SiP在計算機領域的應用主要來自于將處理器和存儲器集成在一起。以GPU舉例，通常包括圖形計算芯片和SDRAM。而兩者的封裝方式并不相同。圖形計算方面都采用標準的塑封焊球陣列多芯片組件方式封裝，而這種方式對于SDRAM并不適合。因此需要將兩種類型的芯片分別封裝之后，再以SiP的形式封裝在一起。

SiP在其他消費類電子中也有很多應用。這其中包括了ISP（圖像處理芯片）、藍牙芯片等。ISP是數碼相機、掃描儀、攝像頭、玩具等電子產品的核心器件，其通過光電轉換，將光學信號轉換成數字信號，然后實現圖像的處理、顯示和存儲。圖像傳感器包括一系列不同類型的元器件，如CCD、COMS圖像傳感器、接觸圖像傳感器、電荷載入器件、光學二極管陣列、非晶硅傳感器等，SiP技術無疑是一種理想的封裝技術解決方案。

 藍牙系統一般由無線部分、鏈路控制部分、鏈路管理支持部分和主終端接口組成，SiP技術可以使藍牙做得越來越小迎合了市場的需求，從而大力推動了藍牙技術的應用。SiP完成了在一個超小型封裝內集成了藍牙無線技術功能所需的全部原件（無線電、基帶處理器、ROM、濾波器及其他分立元件）。

軍事電子產品具有高性能、小型化、多品種和小批量等特點，SiP技術順應了軍事電子的應用需求，因此在這一技術領域具有廣泛的應用市場和發展前景。SiP產品涉及衛星、運載火箭、飛機、導彈、雷達、巨型計算機等軍事裝備，最具典型性的應用產品是各種頻段的收發組件。

6.3.2. SiP—為智能手機量身定制

手機輕薄化帶來SiP需求增長。手機是SiP封裝最大的市場。隨著智能手機越做越輕薄，對于SiP的需求自然水漲船高。從2011-2015，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模塊里，而到了iPhone8，有可能是蘋果第一款全機采用SiP的手機。這意味著，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，比如說更強大的攝像頭、揚聲器，以及電池。

從蘋果產品看SiP應用。蘋果是堅定看好SiP應用的公司，蘋果在之前Apple Watch上就已經使用了SiP封裝。

除了手表以外，蘋果手機中使用SiP的顆數也在逐漸增多。列舉有：觸控芯片，指紋識別芯片，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。而觸控芯片就是要采集接觸點的電壓值，將這些電極電壓信號經過處理轉換成坐標信號，并根據坐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，其復雜結構要求觸控芯片采用SiP組裝，觸覺反饋功能加強其操作友好性。

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

RFPA模塊。手機中的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。

按照蘋果的習慣，所有應用成熟的技術會傳給下一代，我們判斷，即將問世的蘋果iPhone7會更多地采取SiP技術，而未來的iPhone7s、iPhone8會更全面，更多程度的利用SiP技術，來實現內部空間的壓縮。

SoC和SIP

自集成電路器件的封裝從單個組件的開發，進入到多個組件的集成后，隨著產品效能的提升以及對輕薄和低耗需求的帶動下，邁向封裝整合的新階段。在此發展方向的引導下，形成了電子產業上相關的兩大新主流：系統單芯片SoC（System on Chip）與系統化封裝SIP（System in a Package）。

SoC與SIP是極為相似，兩者均將一個包含邏輯組件、內存組件，甚至包含被動組件的系統，整合在一個單位中。

SoC是從設計的角度出發，是將系統所需的組件高度集成到一塊芯片上。

SIP是從封裝的立場出發，對不同芯片進行并排或疊加的封裝方式，將多個具有不同功能的有源電子元件與可選無源器件，以及諸如MEMS或者光學器件等其他器件優先組裝到一起，實現一定功能的單個標準封裝件。

構成SIP技術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），后者包括傳統封裝工藝（Wire bond和Flip Chip）和SMT設備。無源器件是SIP的一個重要組成部分，如傳統的電容、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、數值高的電感、電容等通過SMT組裝在載體上。

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

從封裝發展的角度來看，因電子產品在體積、處理速度或電性特性各方面的需求考量下，SoC曾經被確立為未來電子產品設計的關鍵與發展方向。但隨著近年來SoC生產成本越來越高，頻頻遭遇技術障礙，造成SoC的發展面臨瓶頸，進而使SIP的發展越來越被業界重視。

SIP的封裝形態

SIP封裝技術采取多種裸芯片或模塊進行排列組裝，若就排列方式進行區分可大體分為平面式2D封裝和3D封裝的結構。相對于2D封裝，采用堆疊的3D封裝技術又可以增加使用晶圓或模塊的數量，從而在垂直方向上增加了可放置晶圓的層數，進一步增強SIP技術的功能整合能力。而內部接合技術可以是單純的線鍵合（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的封裝結構外，還可以采用多功能性基板整合組件的方式——將不同組件內藏于多功能基板中，達到功能整合的目的。不同的芯片排列方式，與不同的內部接合技術搭配，使SIP的封裝形態產生多樣化的組合，并可依照客戶或產品的需求加以客制化或彈性生產。

SIP的技術難點

SIP的主流封裝形式是BGA，但這并不是說具備傳統先進封裝技術就掌握了SIP技術。

對于電路設計而言，三維芯片封裝將有多個裸片堆疊，如此復雜的封裝設計將帶來很多問題：比如多芯片集成在一個封裝內，芯片如何堆疊起來；再比如復雜的走線需要多層基板，用傳統的工具很難布通走線；還有走線之間的間距，等長設計，差分對設計等問題。 

此外，隨著模塊復雜度的增加和工作頻率（時鐘頻率或載波頻率）的提高，系統設計的難度會不斷增加，設計者除具備必要的設計經驗外，系統性能的數值仿真也是必不可少的設計環節。 

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