系統(tǒng)級封裝技術(shù)和微系統(tǒng)之從基礎(chǔ)到應(yīng)用

逍遙設(shè)計(jì)自動化

引言
. Z1 c( Y5 z& `5 J& Z1 [系統(tǒng)級封裝(SiP)技術(shù)是現(xiàn)代電子領(lǐng)域的革命性進(jìn)展，將多個有源元件和無源器件集成在單個封裝中，實(shí)現(xiàn)特定的系統(tǒng)功能。先進(jìn)的封裝方案改變了電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造的格局，在尺寸、功耗和性能方面具有顯著優(yōu)勢[1]。
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SiP技術(shù)概述
9 O6 N) x- N- g8 y1 _6 M  g' XSiP技術(shù)將具有不同功能的裸芯片，以及電阻、電容、電感等無源器件集成在一個標(biāo)準(zhǔn)封裝中。這種集成形成了完整的系統(tǒng)或子系統(tǒng)，通常被稱為微系統(tǒng)。該技術(shù)在實(shí)現(xiàn)模式和范圍上與片上系統(tǒng)(SoC)有顯著區(qū)別。
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# \) P2 J! s5 m; F圖1展示了SiP和SoC的基本關(guān)系，突出顯示了各自在系統(tǒng)集成方面的不同方法。

該技術(shù)受到傳統(tǒng)封裝設(shè)計(jì)者、MCM設(shè)計(jì)者、pcb設(shè)計(jì)者和SoC設(shè)計(jì)者的廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)PCB解決方案相比，SiP僅需10-20%的PCB面積和40%的功耗，同時提供更優(yōu)的性能。與SoC相比，SiP開發(fā)僅需10-20%的時間和10-15%的成本。
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圖2顯示了SiP如何獲得多個技術(shù)領(lǐng)域和行業(yè)的關(guān)注，展示了廣泛的影響力。
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9 G% I  ?2 i. t6 t, t8 [2 ~技術(shù)層次和實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)架構(gòu)可分為三個不同層次：
1. 芯片層：包括SoC、FPGA和Chiplet
( J% c- ~) o- t! {3 W" _1 D2. 封裝層：包括SiP、MCM、PoP
3. 板級層：包括PCB、FPC和剛撓結(jié)合板

圖3描繪了SiP和相關(guān)技術(shù)在不同實(shí)現(xiàn)層次之間的層次關(guān)系。

SiP的出現(xiàn)導(dǎo)致半導(dǎo)體行業(yè)傳統(tǒng)商業(yè)模式的轉(zhuǎn)變。這種演變在芯片制造商、封裝企業(yè)和系統(tǒng)開發(fā)者之間創(chuàng)造了新的協(xié)作模式。

  V9 s4 Z4 F& C4 o- d圖4比較了SiP技術(shù)帶來的半導(dǎo)體行業(yè)傳統(tǒng)模式和新模式。
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0 @" c# E5 o& a* h* q7 p應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)
SiP技術(shù)在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用：
3 t: ]# _$ h# J! ~1. 移動設(shè)備
! q+ |7 Y$ A$ L, l4 T蘋果、三星、華為等主要智能手機(jī)制造商廣泛使用SiP技術(shù)。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)，將各種功能集成在緊湊的封裝中。
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: \3 Q) m( Q1 G2 L$ S- L6 X圖5展示了采用多個SiP組件的蘋果智能手機(jī)，展示了消費(fèi)電子領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

2. 可穿戴技術(shù)
  L& F3 W: c. n# H- y( U智能手表、健身追蹤器和其他可穿戴設(shè)備從SiP的微型化和集成能力中獲益。
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圖6展示了智能手表及其集成的傳感器，顯示了SiP如何實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的可穿戴技術(shù)。
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' M# B7 K; T1 q9 q4 ?: ^% A6 A$ y3. 航空航天應(yīng)用
9 ^! c8 G6 g* `1 c8 i% K0 uSiP技術(shù)在航空航天應(yīng)用中特別有價值，因?yàn)槟軌驖M足微型化、低功耗和高性能的嚴(yán)格要求。
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圖7展示了航空航天應(yīng)用為SiP技術(shù)提供的理想機(jī)會。
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- L3 M; a* k% ^: }: u9 WSiP類型和結(jié)構(gòu)
SiP實(shí)現(xiàn)主要有三種形式：
# W6 G8 M6 s  }1. 塑料SiP
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圖8呈現(xiàn)了塑料SiP的基本結(jié)構(gòu)圖，顯示了基本組件和排列。
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; \5 x( x' g) m# E5 N' R0 E! B2. 陶瓷SiP
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圖9顯示了陶瓷SiP的基本結(jié)構(gòu)，突出顯示了集成設(shè)計(jì)方法。

3. 金屬SiP
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圖10說明了金屬SiP的基本結(jié)構(gòu)，展示了獨(dú)特的構(gòu)造和組件。
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微系統(tǒng)集成
! Z9 l# Q! Y7 c+ D微系統(tǒng)的概念隨著SiP技術(shù)顯著發(fā)展�，F(xiàn)代微系統(tǒng)可以包含各種組件，包括電子器件、傳感器、光學(xué)器件和機(jī)械結(jié)構(gòu)，全部集成在單個封裝中。

圖11顯示了SiP如何作為微系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵載體，展示了各種組件的集成。
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發(fā)展方向
隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，SiP在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中的作用將繼續(xù)加強(qiáng)。結(jié)合高性能與減小尺寸和功耗的能力使其成為下一代電子器件和系統(tǒng)的理想解決方案。技術(shù)的靈活性和可擴(kuò)展性確保了在解決未來技術(shù)挑戰(zhàn)和需求方面的持續(xù)相關(guān)性。

SiP技術(shù)代表了電子系統(tǒng)集成的重要進(jìn)步，為現(xiàn)代電子器件需求提供了強(qiáng)大的解決方案。在保持高性能和效率的同時組合多個組件的能力使其成為未來電子系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)。

9 c9 o  L! J+ c參考文獻(xiàn)
[1] S. Li, "SiP and MicroSystem," in MicroSystem Based on SiP Technology, S. Li, Ed. Beijing, China: Publishing House of Electronics Industry, 2022, ch. 3, pp. 67-87.
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