半導(dǎo)體行業(yè)正在向持續(xù)小型化和日益增長(zhǎng)的復(fù)雜度發(fā)展，也推動(dòng)著系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）技術(shù)的更廣泛采用。

SiP 的一大優(yōu)勢(shì)是可以將越來(lái)越多的功能壓縮進(jìn)越來(lái)越小的外形尺寸中，比如可穿戴設(shè)備或醫(yī)療植入設(shè)備。所以盡管這種封裝的單個(gè)芯片中的單個(gè) die 上集成的功能更少了，但整體封裝通過(guò)更小的空間占用而包含了更多功能。在效果上，這就實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)封裝中封裝一個(gè)完整的電子系統(tǒng)，其中 IC 是平坦排布或垂直堆疊的，也或者是兩者的結(jié)合。

此外，SiP 技術(shù)是在已經(jīng)存在了多年的技術(shù)上的擴(kuò)展。它構(gòu)建于已有的封裝技術(shù)之上，比如倒裝芯片、wire bonding、fan-out 晶圓級(jí)封裝。

多芯片模塊（MCM）是系統(tǒng)級(jí)封裝的前身。MCM 最初是為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（比如 1960 和 1970 年代的 bubble memory）和特定的軍事/航空航天電子設(shè)備開(kāi)發(fā)的?，F(xiàn)在仍然還有一些產(chǎn)品在使用它們，比如任天堂的 Wii U 游戲機(jī)。但由于摩爾定律的不斷發(fā)展，這種封裝方案被沒(méi)有得到大范圍的采用，因?yàn)槟柖赡芨阋撕透p松地將所有東西放置到單一一塊芯片上。

圖 1：TI 的 bubble memory 模塊

在 16/14nm 節(jié)點(diǎn)時(shí)，情況發(fā)生了變化，這時(shí)候繼續(xù)減小器件尺寸已經(jīng)變得更加困難。而且隨著新節(jié)點(diǎn)的到來(lái)，難度還會(huì)繼續(xù)增大。比如在 5nm 節(jié)點(diǎn)時(shí)，預(yù)計(jì)會(huì)引入全新的晶體管結(jié)構(gòu)，并且人們還在考慮用鈷或釕等新材料來(lái)替代互連中的銅。此外，動(dòng)態(tài)功率密度和自熱在 16/14nm 節(jié)點(diǎn)時(shí)就已經(jīng)成為問(wèn)題了。而在 10nm 及以后，這些問(wèn)題還需要更大的關(guān)注和高級(jí)電源管理電路。在設(shè)計(jì)方面，布線阻塞的問(wèn)題也越來(lái)越大，并且 RC 延遲、電遷移以及熱、靜電放電和電磁干擾等物理效應(yīng)還在加劇這個(gè)問(wèn)題。

先進(jìn)的封裝技術(shù)為解決這些問(wèn)題提供了一些替代方法。首先，其通過(guò)物理的分離而提供了一種最小化物理效應(yīng)的方法。比如說(shuō)，一個(gè)對(duì)數(shù)字噪聲和熱效應(yīng)敏感的模擬模塊可以通過(guò)使用分開(kāi)的芯片而更輕松地緩沖。其次，因?yàn)樗行酒?chiplet 都可以在一個(gè)封裝中復(fù)用，所以會(huì)使得 IP 復(fù)用更加簡(jiǎn)單。第三，通過(guò)增加芯片之間的連接的直徑和縮短信號(hào)傳輸?shù)木嚯x，可以提升性能并降低功耗，這反過(guò)來(lái)又可以降低驅(qū)動(dòng)這些信號(hào)所需的功率。

“SiP 在實(shí)現(xiàn)方面還處于起步階段，”ASE Group 銷(xiāo)售和業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)副總裁 Yin Chang 說(shuō)，“我們?nèi)匀辉趯W(xué)習(xí) SiP 的所有可能性。這是 SiP 的真正開(kāi)始?！?/p>

但高級(jí)封裝顯然已經(jīng)不再處于涉及多種封裝方法的可行性和可靠性的基礎(chǔ)研究階段了?，F(xiàn)在的挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)與摩爾定律通過(guò)將所有東西放置到單個(gè) die 上所帶來(lái)的一樣的規(guī)模經(jīng)濟(jì)。半導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)拿出了穩(wěn)定的選項(xiàng)和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)以幫助轉(zhuǎn)型。

“技術(shù)進(jìn)步是雙重的，”Chang 說(shuō)，“一是 2.5D 方面，其中可以使用硅 interposer 連接各種類(lèi)型的高密度硅。這允許實(shí)現(xiàn)最大化的集成，而且可以在小空間內(nèi)帶來(lái)性能提升。其次，將過(guò)去的各種功能放到一起可能會(huì)導(dǎo)致芯片的沖突或互相干擾。在這些沖突的硅性能之間放入動(dòng)態(tài)屏蔽和將這些放入一個(gè)非常小的外形之中的能力使其可以被用于需要這類(lèi)外形需求的應(yīng)用——主要是在可穿戴和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中。”

圖2：SiP 全景圖，來(lái)自 ASE

也有其它公司正在改進(jìn)這項(xiàng)工藝。

“這種技術(shù)的進(jìn)展主要是關(guān)于多個(gè) die 的異構(gòu)集成以及（這也是一個(gè)關(guān)鍵組件）在最小尺寸上無(wú)源器件的有效混合和匹配?！?STATS ChipPAC 高級(jí)總監(jiān) Urmi Ray 說(shuō)，“這就是過(guò)去幾年發(fā)生的事情，因?yàn)檫@些模式已經(jīng)出現(xiàn)在了非常小外形尺寸中無(wú)源器件和有源器件的優(yōu)化的關(guān)鍵領(lǐng)域。此外，我們?cè)诮M裝方面已經(jīng)看到了非常有效的處理、貼裝、小、非常薄的 die 和兩種相對(duì)大的器件。很薄的 die 正在變得越來(lái)越明顯，很顯然，其外形正在變小。”

圖 3：一種現(xiàn)代 SiP，來(lái)自 STATS ChipPAC

Yole Développement 總裁兼 CEO Jean-Christophe Eloy 觀察得到了類(lèi)似的結(jié)論。他指出蘋(píng)果由臺(tái)積電生產(chǎn)和組裝的 A10 處理器設(shè)計(jì)已經(jīng)允許無(wú)源器件回到芯片設(shè)計(jì)中了，而不再只是將其看作是 PCB 上的分立元件。他說(shuō)：“多虧臺(tái)積電和蘋(píng)果的 A10，集成無(wú)源器件回歸到了移動(dòng)應(yīng)用中?！?/p>

SiP 是什么？

Amkor Technology SiP/系統(tǒng)集成部門(mén)副總裁 Nozad Karim 上個(gè)月在加州 Rohnert Park 通過(guò)這個(gè)問(wèn)題啟動(dòng)了最早的 System in Package （SiP） Technology 會(huì)議和展覽會(huì)（由國(guó)際微電子組裝與封裝協(xié)會(huì)（IMAPS）主辦）。

“它有很多很多定義，”他說(shuō)，“它是系統(tǒng)，也是封裝。”

TechSearch International 總裁 Jan Vardaman 補(bǔ)充了更多背景信息：“這個(gè)行業(yè)需要清楚我們定義 SiP 的方式?！彼忉屨f(shuō)，SiP 涉及到“兩個(gè)或多個(gè)不相似的 die”并且“構(gòu)成一個(gè)功能模塊”。

Vardaman 補(bǔ)充說(shuō)：“SiP 并不是指單一一種封裝。fan-out 晶圓級(jí)封裝也可以成為 SiP?！钡仓赋雠_(tái)積電的 InFO 層疊封裝（package-on-package ）技術(shù)并不滿足 SiP 的定義。

Vardaman 估計(jì) 2016 年會(huì)出貨 149 億 SiP 封裝。移動(dòng)設(shè)備、可穿戴和其他消費(fèi)產(chǎn)品占到了 SiP 總量的 82%。Vardaman 預(yù)計(jì)從 2016 年到 2020 年 SiP 的年復(fù)合增長(zhǎng)率為 13.7%。

Vardaman 說(shuō)，iPhone 7 和 7 Plus 智能手機(jī)各自有大約 15 個(gè) SiP，而 Apple Watch Series 2 包含 3 個(gè) SiP，三星 Galaxy S8 有 13 個(gè) SiP。

另外參考一點(diǎn)，Yole Développement 預(yù)測(cè)從 2022 年開(kāi)始，將有 450 萬(wàn)晶圓（以 12 英寸晶圓計(jì)算）將包含透硅通孔（through-silicon vias），這種通孔是 interposer 和其它高級(jí)封裝所需的。

圖 4：高級(jí)封裝增長(zhǎng)預(yù)測(cè)，來(lái)自Yole Développement

市場(chǎng)

SiP 最早是用在高端的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用市場(chǎng)，其中吞吐量很關(guān)鍵，而價(jià)格并不是一個(gè)重要因素；另一些則在消費(fèi)電子和移動(dòng)市場(chǎng)，其中早期開(kāi)發(fā)的成本可以通過(guò)高銷(xiāo)量和系統(tǒng)的整體價(jià)格抵消。

今天主要的實(shí)現(xiàn)包括將處理器、內(nèi)存、邏輯和傳感器集成到一個(gè)模塊中，從而為一些客戶提供一站式解決方案。但隨著成本降低，這些產(chǎn)品預(yù)計(jì)將對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開(kāi)發(fā)者尤其有用，它們往往需要快速推陳出新。

“模塊化這種解決方案能讓我們快速創(chuàng)建非?？焖俚纳鲜袝r(shí)間解決方案。”ASE 的 Chang 說(shuō)，“所以我們可以使用特定性能的 SiP，這讓公司可以非?？焖俚貙⑺M裝到一起，并將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。這些針對(duì)的是可穿戴和 IoT，其中市場(chǎng)變化得非?？臁＿@些是 SiP 可以一起滿足的兩個(gè)不同的要求?！?/p>

由于其能夠以更小的外形實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的電池壽命，SiP 也在滲透進(jìn)汽車(chē)、工業(yè)和醫(yī)療電子領(lǐng)域。在人工智能和神經(jīng)引擎等有高性能需求的應(yīng)用中，SiP 也很合適。Chang 說(shuō)：“SiP 可以進(jìn)入廣泛多樣的行業(yè)領(lǐng)域?！倍疫@項(xiàng)技術(shù)也適合自動(dòng)汽車(chē)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、5G 無(wú)線通信等等。

“我們相信你可以將其放在自動(dòng)汽車(chē)中用作它們的神經(jīng)引擎，因?yàn)樵谄?chē)中，你需要在非常小的外形中集成高速處理方案，所以你不能在車(chē)子里裝一臺(tái)大電腦?！盋hang 說(shuō)，“你可能要很高的處理帶寬，所以會(huì)有一個(gè) SiP 解決這些高帶寬需求，也許要與神經(jīng)引擎有 5G、6G 、7G 的連接速度。在這方面，2.5D 解決方案可以為這種類(lèi)型的密集計(jì)算需求提供異構(gòu)硅方案。對(duì)于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，因?yàn)槟阈枰谀愕难坨R上放上屏幕，所以外形大小會(huì)變得至關(guān)重要——因?yàn)槟憧隙ㄟ€想最大化電池壽命，這樣你就不需要不斷充電就能保持 AR 工作了。這種縮減電子產(chǎn)品尺寸、快速模塊化以便占領(lǐng)市場(chǎng)空間的能力對(duì)于消費(fèi)者和公司而言也都至關(guān)重要。對(duì)我們來(lái)說(shuō)，用 SiP 覆蓋這兩個(gè)市場(chǎng)范圍是很激動(dòng)人心的。利用我們所有的封裝和 EMS 經(jīng)驗(yàn)，我們能夠打造非常高密度的模塊，并為 AR 制造商提供解決方案。通過(guò)我們的 bumping、flip chip 和 RDL 解決方案，我們可以為未來(lái)的自動(dòng)汽車(chē)創(chuàng)造 2.5D 的神經(jīng)引擎?！?/p>

STATS 的 Ray 說(shuō)兩大優(yōu)勢(shì)是 RF 屏蔽和有源與無(wú)源器件的雙面集成。這可以為移動(dòng)手機(jī)實(shí)現(xiàn)雙面印刷的電路板，從而縮小模塊尺寸。

Ray 說(shuō)，在采用 SiP 時(shí)，“功能的模塊化是一個(gè)實(shí)際的市場(chǎng)趨勢(shì)。”他指出了物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴、傳感器和汽車(chē)電子領(lǐng)域的高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)等新興市場(chǎng)?！斑@些是非常不同的市場(chǎng)。對(duì)所有這些來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵是要實(shí)現(xiàn)不同的集成?！?/p>

可穿戴設(shè)備在消費(fèi)電子產(chǎn)品中的尺寸最小，SiP 已經(jīng)在可穿戴設(shè)備的高帶寬內(nèi)存中得到了應(yīng)用。Ray 說(shuō)：“用 SiP 的主要原因是尺寸大小和異構(gòu)集成?！?/p>

經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

然而，要將 SiP 看作是一種解決方案都還需要一些時(shí)間。實(shí)際上，OSAT、代工廠和 IDM 已經(jīng)認(rèn)真對(duì)待這些封裝方法近十年的時(shí)間了。

“和其它所有 OSAT 一樣， STATS ChipPAC 一直以來(lái)都在關(guān)注（SiP）能力的開(kāi)發(fā)。”Ray 說(shuō)，“在設(shè)計(jì)和組裝上，我們真的很努力?！痹摴疽惨呀?jīng)轉(zhuǎn)向了系統(tǒng)級(jí)測(cè)試，將 RF 測(cè)試和數(shù)字測(cè)試結(jié)合起來(lái)，確保 SiP 能有效。

其中很多工作都是合作完成的。

“我們得到的最大經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)是需要與我們合作的客戶緊密協(xié)作，”Chang 說(shuō)，“只是能夠做出 SiP 并不意味著能夠做出 SiP 解決方案。與客戶緊密合作，讓他們告訴你他們的硬件和軟件方面的需求，這種合作才能成功實(shí)現(xiàn) SiP 。任何人都能拼好一個(gè)樂(lè)高。我們意識(shí)到我們需要與客戶一道，才能真正把樂(lè)高積木拼起來(lái)讓他們可以將自己的解決方案推向市場(chǎng)。”

大多數(shù)情況下，客戶都會(huì)提供必要的軟件，盡管封裝廠確實(shí)會(huì)提供固件。

但是很明顯，SiP 技術(shù)將會(huì)繼續(xù)發(fā)揚(yáng)光大，并將在未來(lái)幾年在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。因?yàn)楹苌儆泄灸茏冯S摩爾定律進(jìn)入單位數(shù)的納米范圍，SiP 就提供了另一條前進(jìn)的道路。隨著這項(xiàng)技術(shù)更多地被證明可以用于現(xiàn)有的組件，那么預(yù)計(jì)其流行程度還將迎來(lái)大幅度的擴(kuò)張。