周全解读SiP

SiP是组装在同一个封装中的两个或多个不同的芯片。
这些芯片可能大不相同，包括微机电系统（MEMS）、传感器、天线和无源元件，以及更显眼的数字芯片、仿照芯片和存储器芯片。

唯一例外的是将单个芯片放入封装中——但纵然一个封装里面只有一颗片上系统（SoC）也不能称作SiP。
这大概有点抵牾，但符合一句格言， “系统级总是最高级” 。

SiP——超越摩尔定律的一定选择路径

摩尔定律确保了芯片性能的不断提升。
众所周知，摩尔定律是半导体行业发展的“圣经”。
在硅基半导体上，每18个月实现晶体管的特色尺寸缩小一半，性能提升一倍。
在性能提升的同时，带来本钱的低落，这使得半导体厂商有足够的动力去实现半导体特色尺寸的缩小。
这个中，处理器芯片和存储芯片是最屈服摩尔定律的两类芯片。
以Intel为例，每一代的产品完美地遵照摩尔定律。
在芯片层面上，摩尔定律促进了性能的不断往前推进。

SiP是办理系统桎梏的胜负手。
把多个半导体芯片和无源器件封装在同一个芯片内，组成一个别系级的芯片，而不再用PCB板来作为承载芯片连接之间的载体，可以办理由于PCB自身的先天不敷带来系统性能碰着瓶颈的问题。
以处理器和存储芯片举例，由于系统级封装内部走线的密度可以远高于PCB走线密度，从而办理PCB线宽带来的系统瓶颈。
举例而言，由于存储器芯片和处理器芯片可以通过穿孔的办法连接在一起，不再受PCB线宽的限定，从而可以实现数据带宽在接口带宽上的提升。

SiP有多种形式，包括从高真个带硅通孔（TSV）的硅interposer和芯片到低端带引线键合芯片的BGA（就像老一代iPhone中的Ax芯片）。
过去，SiP受到一个悖论的限定：如果SiP更便宜，便会有更多人利用它们，但是如果没有大量的量产运用，本钱仍旧很高。
但是移动电子消费品的市场如此之大，动辄上亿，这在一夕之间改变了这种两难田地。

另一个驱动SiP发展的成分是物联网（IoT）。
险些任何物联网设备都包含传感器、打算器件、通信设备（常日是无线的），以及存储器。
这些不可能利用同一制程制造，也就无法在同一个芯片上制造，以是在SiP级别进行集成更为可行。
物联网的两大驱出发分是传感器本钱的降落，以及多芯片封装和模块的低本钱。
市场容量受到SiP本钱的影响，而SiP本钱又会影响到市场容量，两者相辅相成。

SiP——为运用而生

紧张运用领域：无线通讯、汽车电子、医疗电子、打算机、军用电子等

德州仪器公司

德州仪器公司的MicroSiP是一个电源设备。
尺寸仅为2.9mm x 2.3mm x 1mm，个中包括安装在顶部的电感，以减少电路板空间。

Microsemi公司

Microsemi已将芯片嵌入到基板中，与之前的版本相比，面积减少了400%。
它具有很高的可靠性，符合植入式元件的MIL标准。
这种方法也适用于其他须要高可靠性的环境，如航空航天、汽车和工业传感领域。
在此举一个改进示例——超薄嵌入式芯片，其叠层厚度为0.5mm，模块总高度约为1mm（这是分立元件的极限）。

Apple公司

根据Chipworks的x光剖析表明，苹果腕表的S1“芯片”实际上是一个SiP，个中包含大约30个集成电路、许多无源元件，除封装本身之外，还有一个ST加速度计/陀螺仪。

AMD公司

AMD的图形处理器用作硅中介层和硅通孔。
它在1.011mm2的中介层中央安装了一个595mm2的专用集成电路（ASIC），这个ASIC周围有四个高带宽存储器（HBM）叠层（每个叠层由一个逻辑芯片和四个堆叠在顶部的动态随机存取存储器（DRAM）芯片组成）。
互连超过200,000个，包括铜柱凸块和C4凸块。
中介层有65,000个直径为10um的硅通孔。

索尼公司

CMOS图像传感器（CIS）的最前辈技能不是像过去那样将图像传感器的正面暴露在光芒下，而是将图像传感器变薄，使其对光芒透明，然后将其翻转到下方的图像传感器处理器（ISP）芯片上，因此不再须要任何TSV。
传感器吸收到的光穿过变薄的芯片背面。

索尼已在三层堆叠构造上更进一步。
顶部是图像传感器，中间是DRAM层，底部是ISP（图像旗子暗记处理器）。
来自图像传感器的旗子暗记实际上直接通过DRAM层到达处理器，然后返回存储器。
这是第一个利用晶圆接合的商业化三层堆叠构造。
实际上，它用在了一款高端手机上，即索尼Experia XZ，这款手机于2017年2月在MWC（天下移动通信大会）大会上推出。
图像传感器和（DRAM）的厚度减薄到了2.6um！
几十年前，这是晶体管的大小。

索尼不仅是图像传感器领域的领先者，在包括苹果手机在内的大多数高端手机领域也是如此。
索尼在2017年推出的这款手性能达到960fps，已经相称令人惊艳了。

诺基亚公司

诺基亚SiP适用于企业路由器，因此不属于像移动设备这样对本钱非常敏感的市场。
它的处理速率可达100TB/s乃至更高。
含有22个芯片，个中包括定制存储器。
全体路由器的尺寸与游戏机相称，却可以同时处理令人难以置信的视频流（Netflix、YouTube等）。

为智好手机量身定制

SiP在无线通信领域的运用最早，也是运用最为广泛的领域。
在无线通讯领域，对付功能传输效率、噪声、体积、重量以及本钱等多方面哀求越来越高，迫使无线通讯向低本钱、便携式、多功能和高性能等方向发展。
SiP是空想的办理方案，综合了现有的芯核资源和半导体生产工艺的上风，降落本钱，缩短上市韶光，同时战胜了SOC中诸如工艺兼容、旗子暗记稠浊、噪声滋扰、电磁滋扰等难度。
手机中的射频功放，集成了射频功放、功率掌握及收发转换开关等功能，完全的在SiP中得到理解决。

手机轻薄化带来SiP需求增长。
手机是SiP封装最大的市场。
随着智好手机越做越轻薄，对付SiP的需求自然水涨船高。
从2011-2015年，各个品牌的手机厚度都在不断缩减。
轻薄化对组装部件的厚度自然有越来越高的哀求。
以iphone 6s为例，已大幅缩减PCB的利用量，很多芯片元件都会做到SiP模块里，而到了iPhone8，有可能是苹果第一款全机采取SiP的手机。
这意味着，iPhone8一方面可以做得更加轻薄，另一方面会有更多的空间容纳其他功能模块，比如说更强大的摄像头、扬声器，以及电池。

苹果腕表运用的技能最为前辈。
在尺寸26mm x 28mm的封装中含有许多器件。
腕表对尺寸的严格约束意味着不该用SiP技能就不可能构建全体系统。
下图是苹果腕表的电路板，可以更清晰的理解该级别的设计：

触控芯片。
在Iphone6中，触控芯片有两颗，分别由Broadcom和TI供应，而在6S中，将这两颗封在了同一个package内，实现了SiP的封装。
而未来会进一步将TDDI全体都封装在一起。
iPhone6s中展示了新一代的3D Touch技能。
触控感应检测可以穿透绝缘材料外壳，通过检测人体手指带来的电压变革，判断出人体手指的触摸动作，从而实现不同的功能。
而触控芯片便是要采集打仗点的电压值，将这些电极电压旗子暗记经由处理转换成坐标旗子暗记，并根据坐标旗子暗记掌握手机做出相应功能的反应，从而实现其掌握功能。
3D Touch的涌现，对触控模组的处理能力和性能提出了更高的哀求，其繁芜构造哀求触控芯片采取SiP组装，触觉反馈功能加强其操作友好性。

指纹识别同样采取了SiP封装。
将传感器和掌握芯片封装在一起，从iPhone 5开始，就采纳了相类似的技能。

快速增长的SiP市场

市场规模 & 渗透率迅速提升

2013-2016年SiP市场复合年均增长率为15%。
2016年环球SiP产值约为64.94亿美元，较2015年景长17.4%旁边；在聪慧型手机出货量持续高位，以及Apple Watch 等穿着式产品问世下，环球SiP产值估计将连续增长。

以2016-2018年为周期，我们来打算SiP在智好手机市场三年内的市场规模。
假设SiP的单价每年贬价10%，智好手机出货量年增3%。
可以看到，SiP在智好手机中的新增市场规模的复合年均增长率为192%, 非常可不雅观。

从制造到封测——逐渐领悟的SiP家当链

从家当链的变革、家当格局的变革来看，今后电子家当链将不再只是传统的垂直式链条：终端设备厂商——IC设计公司——封测厂商、Foundry厂、IP设计公司，产品的设计将同时调动封装厂商、基板厂商、材料厂、IC设计公司、系统厂商、Foundry厂、器件厂商（如TDK、村落田）、存储大厂（如三星）等彼此交叉协作，共同实现家当升级。
未来系统将带动封装业进一步发展，反之高端封装也将推动系统终端繁荣。
未来系统厂商与封装厂的直接对接将会越来越多，而IC设计公司则将可能向IP设计或者直接出售晶圆两个方向去发展。

由于封测厂险些难以向上游跨足晶圆代工领域，而晶圆代工厂却能基于制程技能上风跨足下贱封测代工，尤其是在高阶SiP领域方面；因此，晶圆代工厂跨入SiP封装业务，将与封测厂从纯挚高下游互助关系，转向奇妙的竞合关系。

封测厂一方面可朝差异化发展以区隔市场，另一方面也可选择与晶圆代工厂进行技能互助，或因此技能授权等办法，搭配封测厂弘大的产能根本进行接单量产，共同扩大市场。
此外，晶圆代工厂所发展的高阶异质封装，其部分制程步骤仍须专业封测厂以现有技能帮忙完成，因此双方仍有互助立基点。

总结

SiP匆匆成了许多产品的实现，尤其是：

手机、平板、条记本

固态硬盘（SSD）

物联网（IoT）设备

汽车安全系统，包括雷达

医用可穿着设备

高性能打算（HPC）系统

个中，紧张的驱出发分便是性能和形状。
但对低本钱办理方案的需求推动了新封装设计的采取，这些成分缺一不可。
此外，经济和商业决策也是一个很大的驱出发分，有时还有技能性能方面的考虑（例如70GHz雷达）。

随着摩尔定律这一趋势减缓，而最前辈的工艺不再适用于许多仿照或射频设计，SiP会成为首选的集成方法之一，集成是“超越摩尔定律”的一个关键方面，而SiP将在不纯挚依赖半导体工艺的面积缩放的情形下，实现更高的集成度。

SiP代表了行业的发展方向：芯片发展从一味追求功耗低落及性能提升（摩尔定律），转向更加务实的知足市场的需求（超越摩尔定律），SiP是实现的主要路径。
SiP从终端电子产品角度出发，不再一味关注芯片本身的性能/功耗，而去实现全体终端电子产品的轻薄短小、多功能、低功耗等特性；在行动装置与穿着装置等轻巧型产品兴起后，SiP的主要性日益显现。

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