系統(tǒng)級(jí)封裝 (SiP) 是一種用于將多個(gè)集成電路 (IC) 和無(wú)源元件捆綁到一個(gè)封裝中的方法，它們?cè)谠摲庋b下協(xié)同工作。這與片上系統(tǒng) (SoC) 形成對(duì)比，而這些芯片上的功能集成到同一芯片中。

包含基于各種工藝節(jié)點(diǎn)（CMOS、SiGe、BiCMOS）的不同電路的硅芯片可以垂直或并排堆疊在基板上。該封裝包含一條內(nèi)部布線，可將所有管芯連接在一起形成一個(gè)功能系統(tǒng)。引線鍵合或凸塊技術(shù)通常用于系統(tǒng)級(jí)封裝解決方案中。

系統(tǒng)級(jí)封裝類似于片上系統(tǒng)，但集成度較低，并且不是使用單個(gè)半導(dǎo)體芯片制造的。一個(gè)普通的SiP解決方案可能會(huì)采用多種封裝技術(shù)，例如倒裝芯片、引線鍵合、晶圓級(jí)封裝等。

封裝在系統(tǒng)級(jí)封裝中的集成電路和其他組件的數(shù)量在理論上是無(wú)限的，因此，工程師基本上可以將整個(gè)系統(tǒng)集成到一個(gè)封裝中。

系統(tǒng)級(jí)封裝的簡(jiǎn)史

在 1980 年代，SiP 以多芯片模塊的形式出現(xiàn)。他們不是將芯片放在印刷電路板上，而是可以通過(guò)將芯片組合到一個(gè)封裝中來(lái)降低成本或縮短電信號(hào)需要傳輸?shù)木嚯x，而連接在歷史上是通過(guò)引線鍵合實(shí)現(xiàn)的。

集成是半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)和使用背后的主要推動(dòng)力。從 SSI（小規(guī)模集成——單個(gè)芯片上的幾個(gè)晶體管）開(kāi)始，該行業(yè)已轉(zhuǎn)向 MSI（中等規(guī)模集成——單個(gè)芯片上數(shù)百個(gè)晶體管）、LSI（大規(guī)模集成——單個(gè)芯片上數(shù)萬(wàn)個(gè)晶體管）芯片）、ULSI（超大規(guī)模集成——單個(gè)芯片上超過(guò)一百萬(wàn)個(gè)晶體管）、VLSI（超大規(guī)模集成——單個(gè)芯片上數(shù)十億個(gè)晶體管）和最后的 WSI（晶圓級(jí)集成——整個(gè)晶圓變成單個(gè)超級(jí)芯片）。

所有這些都是物理集成指標(biāo)，沒(méi)有考慮所需的功能集成。因此，出現(xiàn)了幾個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)填補(bǔ)空白，例如 ASIC（專用集成電路）和 SoC（片上系統(tǒng)），它們將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到更多的系統(tǒng)集成上。

至于最初對(duì) SiP 的需求，我們無(wú)需再看微處理器。微處理器的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)要求與模擬電路、電源管理設(shè)備或存儲(chǔ)設(shè)備的要求有很大不同。這導(dǎo)致了系統(tǒng)級(jí)集成度的明顯提高。

盡管 SiP 這個(gè)詞相對(duì)較新，但實(shí)際上 SiP 長(zhǎng)期以來(lái)一直是半導(dǎo)體行業(yè)的一部分。

在 1970 年代，它以自由布線、多芯片模塊 (MCM) 和混合集成電路 (HIC) 的形式出現(xiàn)。

圖 3：HIC示例

在 1990 年代，它被用作 Intel 的 Pentium Pro3 集成處理器和緩存的解決方案。如今，SiP 已轉(zhuǎn)變?yōu)閷⒍鄠€(gè)芯片集成到單個(gè)封裝中以減少空間和成本的解決方案。

系統(tǒng)級(jí)封裝的好處

SiP 和 SoC 之間的主要區(qū)別在于 SoC 將所需的每個(gè)組件都集成在同一芯片上，而 SiP 方法采用異構(gòu)組件并將它們連接到一個(gè)或多個(gè)芯片載體封裝中。

例如，SoC 會(huì)將 CPU、GPU、內(nèi)存接口、HDD 和 USB 連接、RAM/ROM 和/或它們的控制器集成在單個(gè)硅片上，然后將其封裝到單個(gè)芯片中。相比之下，等效的 SiP 將采用來(lái)自不同工藝節(jié)點(diǎn)（CMOS、SiGe、高功率）的獨(dú)立管芯，將它們連接并組合成單個(gè)封裝到單個(gè)基板 (PCB) 上?？紤]到這一點(diǎn)，很容易看出與類似的 SoC 相比，SiP 的集成度較低，因此，SiP 的采用速度很慢。

不過(guò)最近，2.5D 和 3D IC、倒裝芯片技術(shù)和封裝技術(shù)的進(jìn)步讓人們對(duì)使用 SiP 提供的可能性有了新的認(rèn)識(shí)。

有幾個(gè)主要因素推動(dòng)了當(dāng)前用 SiP 取代 SoC 的趨勢(shì)

• 天線、MEMS 傳感器、無(wú)源元件（例如：大電感）等外部設(shè)備無(wú)法裝入 SoC。因此，工程師需要使用 SiP 技術(shù)為其客戶提供完整的解決方案。
• 交付模塊而不是芯片是一種趨勢(shì)，因?yàn)闊o(wú)線應(yīng)用（例如藍(lán)牙模塊）可以幫助客戶快速進(jìn)入市場(chǎng)，而無(wú)需從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)。相反，他們使用由整個(gè)系統(tǒng)組成的 SiP 模塊。

除了上述因素外，SiP 還具有以下優(yōu)勢(shì)：

• 小型化，降低成本，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，良率更高，可靠性更好。

不過(guò)，為了全面了解，我們必須承認(rèn) SiP 也有一些缺點(diǎn)。以下是在選擇 SiP 作為設(shè)計(jì)理念之前需要考慮的一些主要缺點(diǎn)：

• 缺乏靈活性
• 難以定制
• 不同的設(shè)計(jì)方法

圖 4：使用系統(tǒng)級(jí)封裝的優(yōu)缺點(diǎn)

SiP的未來(lái)趨勢(shì)

人們可以將 SiP 概括為由一個(gè)襯底組成，在該襯底上將多個(gè)芯片與無(wú)源元件組合在一起，以創(chuàng)建一個(gè)功能完整的獨(dú)立封裝，只需在外部連接幾個(gè)組件即可創(chuàng)建所需的產(chǎn)品。由于由此產(chǎn)生的尺寸減小和緊密集成，SiP 在空間受限的設(shè)備中非常受歡迎，例如 MP3 播放器和智能手機(jī)。另一方面，如果只有一個(gè)組件有缺陷，則整個(gè)系統(tǒng)將無(wú)法正常工作，從而導(dǎo)致制造成品率下降。

隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，不斷的開(kāi)發(fā)和研究有助于使SiP更接近SoC，成本更低，體積要求和初始投資更小，并且在系統(tǒng)簡(jiǎn)化方面具有積極的趨勢(shì)。此外，推動(dòng)創(chuàng)建越來(lái)越大的單片 SoC 開(kāi)始觸及設(shè)計(jì)驗(yàn)證和可制造性的瓶頸，因?yàn)閾碛懈蟮穆闫瑫?huì)導(dǎo)致更大的故障機(jī)會(huì)，從而導(dǎo)致更多的硅晶圓損失。

從 IP 方面來(lái)看，SiP 是 SoC 的絕佳未來(lái)替代品，因?yàn)樗鼈兛梢约?a href="http://www.ttokpm.com/article/zt/" target="_blank">最新的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，而無(wú)需持續(xù)更長(zhǎng)、更昂貴的重新設(shè)計(jì)階段。此外，SiP 方法允許更快、更節(jié)能的通信和電力傳輸，這是在考慮 SiP 采用和應(yīng)用的長(zhǎng)期前景時(shí)要考慮的另一個(gè)令人鼓舞的因素。