IC 封装在新电子产品的开发中继续发挥着重要作用，尤其是系统级封装 (SiP)，这种成功的方法继续获得发展势头，但主要是因为它增加了竞争优势而受到关注。
使用SiP，将多个芯片和其他组件集成到一个封装中，使其能够用作电子系统或子系统。SiP 在空间有限的情况下尤其有用，例如在智能手机和可穿戴设备中。例如，Apple 在其许多产品中使用了 SiP。
SiP 最初构思于 1980 年代，如今以不同的形式出现。但是术语可能会令人困惑。不同公司的定义各不相同，SiP 既可以指芯片的实际组合，也可以指将它们组合成电子系统或子系统的方法。SiP 可以在商品或高级封装中包含芯片、无源器件（有时还包括 MEMS）的任意组合。
要开发 SiP，客户需要从工具箱中的多种技术中进行选择，例如组件、互连、材料和封装架构。SiP 在OSAT和/或合同制造商处制造。
图 1：具有 CPU 和内存的 SiP 多芯片模块示例，全部安装在同一基板上。资料来源： 维基百科
SiP 与小芯片不同，但有一些重叠。这两种方法都是解决在每个新节点上开发 SoC 的难度和成本不断增加的解决方案。但是对于小芯片，供应商或封装公司可能有一个模块化芯片或小芯片菜单，然后在高级封装中混合和匹配小芯片，以创建针对特定领域或应用程序定制的系统。截至今天，只有英特尔、AMD 和 Marvell 等少数大型厂商开发了专有的类似小芯片的设计，尽管代工厂和 OSAT 正在努力扩大该市场。
相比之下，SiP 中使用的组件多年来一直很容易获得。根据 Yole Développement 的数据，SiP 市场已经是一个相当大的业务，预计将从 2020 年的 140 亿美元增长到 2026 年的 190 亿美元以上。
“如今，几乎所有应用都有 SiP，例如智能手机、可穿戴设备、计算机、电信和汽车，”TechSearch International 总裁 Jan Vardaman 说。
SiP 和其他封装
并非所有系统都需要 SiP，但它们是一种更快速地创建复杂且极其快速的系统的方法，而无需将所有东西都塞进一个芯片上。这可能包括从在最先进的工艺节点开发的不同加速器和存储器到在已建立节点开发的模拟芯片的所有内容。
显然，需要更快的芯片来提高系统的计算能力。D2S首席执行官 Aki Fujimura 表示：“毫无疑问，能够以比现在快 10 倍的速度进行计算将具有商业价值并具有竞争力。 ”
尽管如此，IC 封装可以保护各种芯片免受损坏并提高芯片的性能。迄今为止，该行业已开发出 1,000 多种不同的封装类型。芯片客户根据给定的应用选择封装类型。
在某些情况下，SiP 是有意义的。SiP 可以追溯到 1980 年代，当时 IBM为其高端计算机开发了多芯片模块(MCM)。作为 SiP 的一种形式，MCM 将裸片合并到一个模块中。
从那时起，SiP 不断发展，将各种组件集成到商品或高级封装中。SiP 可以是这些封装的定制版本。在某些圈子中，异构集成——在高级封装中组装复杂的裸片——属于广泛的 SiP 类别。
Amkor高级 SiP 产品开发副总裁 Curtis Zwenger 表示：“SiP 包含许多不同的支持技术，可以支持广泛的细分市场。“我们为 SiP 服务的市场包括无线、物联网、汽车、电源管理和计算机网络。”
细分封装市场的一种方法是通过互连类型，例如引线键合、倒装芯片、晶圆级封装 (WLP) 和硅通孔(TSV)。互连用于将一个裸片连接到另一个裸片。
据 TechSearch 称，如今，大约 75% 到 80% 的封装基于引线键合。焊线机使用细线将一个芯片缝合到另一个芯片或基板上。
引线键合机用于制造多种封装类型，例如四方扁平无引线 (QFN)。QFN 可以包含一些简单的设备或其中的许多设备。“我们已经看到了 6mm x 6mm 的 QFN，其中放置了 15 个组件。我们已经看到那里有一些堆叠。它基本上是一个小型 QFN 内的系统级封装，” QP Technologies的高级工艺工程师 Sam Sadri 说。
同时，在倒装芯片中，芯片顶部会形成大量微小的铜凸点。然后将器件翻转并安装在单独的芯片或板上。凸块落在铜焊盘上，形成电连接。
倒装芯片用于开发许多封装，例如双面模制球栅阵列 (DSMBGA) 等。一些 OSAT 已经开发了 DSMBGA 封装。Amkor 是最新的。
在 DSMBGA 中，元件位于基板的顶部和底部。这减小了封装尺寸，也缩短了器件的信号路径。可以调整这些组件以启用 SiP。
DSMBGA 存在于智能手机和其他产品中。电话由一个数字部分和一个射频前端模块组成，该模块处理发送/接收功能。
“双面封装技术提高了用于智能手机和其他移动设备的射频前端模块的集成度，”Amkor 的 Zwenger 说。“通常，它具有功率放大器、开关、滤波器和低噪声放大器 (LNA)。这就是我们看到的 DSMBGA 集成。它可以用于其他类型的集成，但这是一个最佳点。”
在手机中，功率放大器会提高功率。LNA 放大小信号，而滤波器阻止不需要的信号。RF 开关将信号从一个组件路由到另一个组件。
图 2：DSMBGA 封装。资料来源：安靠
扇出 WLP 是 SiP 的另一种封装选项。在扇出的一个示例中，DRAM 管芯堆叠在逻辑芯片上。
同时，2.5D/3D 封装用于高端系统。在 2.5D/3D 中，管芯堆叠或并排放置在包含 TSV 的中介层顶部。
图 3：高性能计算封装的不同选项，基于中介层的 2.5D 与基板上扇出芯片 (FOCoS)。资料来源：ASE
可穿戴设备的SiP 可
穿戴设备是 SiP 的一大推动力。苹果、FitBit/谷歌、华为、三星、小米等都在这个市场上展开竞争。据 Yole 称，头戴式/耳戴式产品是可穿戴设备市场中最大的细分市场，其次是腕戴式产品、体戴式和智能服装。
总体而言，移动/消费级 SiP 市场是一个价值 119 亿美元的业务。据 Yole 称，其中，可穿戴设备 SiP 市场在 2020 年的业务规模为 1.84 亿美元，仅占整个移动/消费级 SiP 细分市场的 1.55%。据 Yole 称，到 2026 年，可穿戴设备 SiP 市场将达到 3.98 亿美元，增长率为 14%。
每个可穿戴市场都是不同的，但要求是相似的。“对可穿戴设备的最大需求是性能、重量轻、舒适和更好的附着力。结果需要更准确。它需要更多的功能，” ASE的副营销总监 Henry Lin在 IMAPS 最近的高级系统级封装 (SiP) 技术会议上发表演讲时说。
对于智能手表尤其如此。Apple 的智能手表被称为 Watch 6，具有多种功能，其中包括一项测量血氧饱和度的功能。它还具有心电图 (ECG) 应用程序。
Watch Series 6 在 Apple 的 S6 SiP 中集成了应用处理器和其他功能。SiP 采用了基于台积电 7nm 工艺的苹果 A13 处理器。A13 围绕 Arm 的双核 64 位处理器构建。
对于应用处理器，Apple 使用特定的 SiP。“Apple 将 InFO 用于应用程序处理器。Apple Watch 和其他智能手表产品中还有许多其他 SiP，”TechSearch 的 Vardaman 说。InFO 是台积电的集成扇出封装技术。
其他智能手表使用各种包装。在所有情况下，原始设备制造商都面临着若干挑战。“我们希望手腕上或耳朵上的所有这些东西都不会占用任何空间。这需要专注于有意并集成到产品开发过程中的小型化，”FitBit/Google 的硬件工程经理 Pieris Berreitter 在 IMAPS 的 SiP 会议上的一次演讲中说。（2019 年，谷歌收购了 FitBit）。
为了使产品具有更小的外形尺寸，FitBit 采用了一种新的设计方法。有一次，FitBit 使用离散芯片开发了给定可穿戴设备的射频部分，然后将这些芯片组装在一块板上。“在 2018 年之前，我们正在为解决射频挑战的无线电构建分立芯片设计，”Berreitter 说。“过了一段时间，无线电设计开始从产品到产品和一代一代看起来都一样。”
就在那时，FitBit 开始关注 SiP。它考察了开发 SiP 的几个标准，例如面积、成本、制造、可靠性、重用、测试和上市时间。
SiP 有一些折衷。根据 Berreitter 的说法，这里有一些优点：
将多个分立元件组合在一个封装中，节省电路板空间；
允许重复使用模拟/射频芯片；
节省射频测试的时间/金钱；
可靠性好。
根据 FitBit 工程师的说法，SiP 也有一些缺点，包括制造时间长，以及有时比分立解决方案更昂贵的零件成本。
FitBit 最终从离散解决方案转移到产品的某些部分的 SiP。在其较旧的智能手表中，FitBit 在 10 毫米 x 20 毫米的板上集成了多个分立设备，例如微控制器、内存、GPS 和各种射频芯片（蓝牙、WiFi）。
然后，在 Versa 2 健康/健身智能手表中，FitBit 将射频组件（蓝牙、WiFi）集成到一个 SiP 中，使其能够在更小的 10mm x 9mm 板上减少射频占用空间。MCU 和内存仍然是独立的产品。Versa 2 于 2019 年推出。
“我们采用了我们知道会再次使用的最简单、风险最低的系统。我们将这些子系统小型化，为产品中的新功能创造了空间，”Berreitter 说。“我们使用了相同的无线电架构，但我们能够为无线电使用一些更小的组件和更严格的间距规则。”
SiP 还有其他好处。“由于 SiP 的面积更小，我们能够从双面板变为单面板。我们可以在产品中利用这一点，将电路板的背面用作天线谐振腔的一侧。现在，我们有了更薄的产品和更好的天线性能，”Berreitter 说。“有了 Versa 2，无线电 SiP 使我们能够提供更长的电池寿命、用于语音辅助的麦克风以及更好的显示效果。”
SiP 对设计中的屏蔽也有一些影响。屏蔽用于阻止射频组件之间的干扰。为此，OEM 使用称为屏蔽罐的微型外壳。这些覆盖射频芯片的外壳焊接到电路板上。
在分立解决方案中，屏蔽会占用电路板空间。通过在 SiP 中组合芯片，OEM 可以减少屏蔽内容。即便如此，屏蔽仍涉及若干挑战。“在可穿戴设备方面，SIP 中嵌入了多个射频无线通信电路，”长电科技全球技术营销高级总监 Michael Liu说。“它们对任何类型的干扰都很敏感，但它们也有不同的频段。”
与此同时，FitBit 并未将所有组件集成到一个 SiP 中，即 DRAM。随着时间的推移，DRAM 部件可能会经历多次修改。因此，在设计中使用最新版本作为分立部件而不是延迟 SiP 是有意义的。
然后，在其最新的 Sense 智能手表中，FitBit 没有将其 ECG 功能集成到 SiP 中。Berreitter 说，像 ECG 这样的复杂功能需要更多时间来开发，因此使用离散解决方案更有意义。
可听设备是另一个大市场。Apple 的无线耳塞称为 AirPods，将 Apple 的 H1 芯片和音频核心集成在一个 SiP 中。据 Yole 称，这些设备还包括加速度计和陀螺仪。
展望未来，OEM 正在开发功能更多的可穿戴设备，这带来了一些新的挑战。Yole 分析师 Santosh Kumar 表示：“需要更薄、更密集和热效率更高的 PCB/封装设计来满足各种医疗和消费者可穿戴要求。”
5G SiP
SiP 也出现在 4G 和 5G 智能手机中。当今绝大多数无线网络都围绕着 4G LTE 标准，该标准在 450MHz 至 3.7GHz 频段内运行。与此同时，5G 正在两个不同的频率范围内部署——6GHz 以下和毫米波（28GHz 及以上）。与 4G 相比，5G 承诺提供移动网络速度，延迟降低 10 倍，吞吐量提高 10 倍，频谱效率提高 3 倍。
在无线网络中，运营商部署具有大规模 MIMO 天线系统的巨型蜂窝塔。结合微型天线，大规模 MIMO 通过使用波束成形技术向终端用户手机发送和接收信号。
今天，5G 的情况喜忧参半。UMC技术开发副总裁 Raj Verma 表示：“5G 的 6GHz 以下版本正在全球范围内迅速采用。“但是，对于 mmWave，推出的时间比预期的要长。如今，毫米波的实施需要大量增加土地和建筑基础设施投资。此外，毫米波的设计和系统也更加复杂，开发时间也更长。”
问题在于毫米波具有视线限制、穿过墙壁的低穿透能力和短距离。到目前为止，苹果和三星已经在他们的手机中采用了低端的毫米波频段。
从组件的角度来看，低于 6GHz 的 5G 智能手机类似于当今的 4G 手机。该系统由数字部分和射频前端模块组成。主天线是独立的，与手机并排运行。
5G 毫米波手机是不同的。例如，根据 System Plus 的说法，在 Apple 的 iPhone 12 中，该系统由几个组件组成——一个调制解调器、一个中频 IC、一个射频前端模块、两个天线阵列和一个封装天线 (AiP)咨询。
“后置 5G 毫米波天线由一个 16 个无源天线单元组成，该单元构建在 8 层基板上，”System Plus 表示。“在手机的侧面，框架中集成了一个 AiP 模块，用于侧面通信。”
毫米波需要 AiP。AiP 背后的想法是让射频芯片更靠近天线，以增强信号并最大限度地减少系统中的损耗。
AiP 模块由多层贴片天线组成。位于天线旁边的 SiP 包含一个 RF 收发器、一个电源管理 IC 和无源器件。
总而言之，5G 毫米波架构复杂且难以实施。“我们需要高密度设计。5G 需要大功率功率放大器和电源管理。因此，我们需要考虑散热问题。我们需要研究设计以及如何使其更高效，”JCET 首席技术官 Choon Lee 在 IMAPS 的 SiP 会议上表示。
还有其他问题。“在 4G 和 5G 之间，系统中添加了许多新频率，以满足更高的速度要求。有了这些额外的频率，就扩大了对设备射频前端部分的要求，”ASE 工程和营销高级总监 Mark Gerber 在活动的小组讨论中说。“有许多额外的组件出现。其中一个关键挑战是你无法继续扩大手机内所需的空间。对于手机制造商来说，他们的重点是为电池供电提供更多空间。为了能够做到这一点，需要更多的集成，无论是将额外的频率组合到单个射频前端封装或模块中，以及寻找简化整体系统解决方案的其他方法。市场上有许多包装解决方案正在发展，以试图应对其中的一些挑战。”
5G 手机包含大量具有不同封装类型和模块的芯片。要为 5G 毫米波开发任何封装，封装公司需要具有良好天线设计的优质组件。它还需要良好的制造和测试流程。材料和基材是关键。
通常，这些芯片可用于 5G mmWave。设计天线并将其集成到封装中是一门艺术。以 AiP/SiP 模块为例。
“在相同的辐射效率下，AiP 需要比相应的分立 PCB 天线小两到四倍，”JCET 的 Liu 说。“一般而言，AiP 实施会带来严格的天线调谐挑战，因此需要更多的射频设计余量。为了实施毫米波 AiP，通常需要高密度层压基板。”
事实上，基材在这里起着关键作用。“这些先进系统的最大问题是需要更薄的基板、低总厚度变化 (TTV)、超低缺陷、强附着力、应力控制以及下游加工（如退火和金属沉积）的绝对高温稳定性，” Brewer Science的 WLP 材料执行董事 Kim Yess 说。
用于 5G 毫米波的 AiP 基板特别复杂。“为了达到他们需要的性能和低寄生效应，他们必须在基板设计中采用一些不同的堆栈，”Amkor 的 Zwenger 说。“对于毫米波，他们必须开始研究非常薄的电介质和低 Dk/Df 特性。所以他们正在研究晶圆级的聚酰胺薄膜。”
更复杂的是，随着这些包的价值上升，需要有一种方法来测试这些设备。TEL总经理 Yohei Sato 表示：“随着半导体制造规模的不断扩大，用于集成多个和/或异构器件的先进封装技术的引入正在加速，其中晶圆测试的重要性比以往任何时候都重要。 ”
SiP 是一种使能技术。您不会在任何地方看到 SiP，而且它们往往会被小芯片过度展示。
但小芯片和 SiP 都是可行的方法。OEM 需要所有技术来实现新设计。---Mark LaPedus
