從SiP到Si3P未來發(fā)展研究

市場分析

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和系統(tǒng)復(fù)雜度的不斷提高，電子裝備越來越小型化和高集成化，而半導(dǎo)體特征尺寸逐漸逼近物理極限，芯片的設(shè)計難度和制造成本明顯提升，傳統(tǒng)封裝技術(shù)已不能滿足多芯片、多器件的高性能互聯(lián)，這對封裝技術(shù)提出了越來越高的要求。通過微縮特征尺寸以實(shí)現(xiàn)芯片性能翻倍難以繼續(xù)，但系統(tǒng)對性能提升的要求沒有降低，系統(tǒng)復(fù)雜度仍在持續(xù)增長。

為了滿足需求，研究人員從封裝層面上構(gòu)建系統(tǒng)級封裝(System in package, SiP)。與傳統(tǒng)封裝技術(shù)相比，SiP更能滿足集成電路向更高集成度、更高性能、更高工作頻率發(fā)展的要求，其中三維系統(tǒng)級封裝(3D-system in package, 3D-SiP)通過多層堆疊和立體互聯(lián)實(shí)現(xiàn)了芯片和器件的高性能集成。

而長運(yùn)通也致力于由SiP向Si3P（SiiiP：integration-集成、 interconnection-互聯(lián)、 intelligence-智能）方向研究，其產(chǎn)品為我們身處的模擬世界與數(shù)字化電子建立起到了不可或缺的橋梁。

今天這篇文章，長運(yùn)通就要和大家講講長運(yùn)通致力于研究的方向——Si3P。

從SiP到Si3P

首先說說SiP，

SiP是先進(jìn)封裝技術(shù)里的一種，可以在小體積內(nèi)集成復(fù)雜的電子系統(tǒng)或子系統(tǒng)，在外形、性能和成本上都很有優(yōu)勢，可以給終端產(chǎn)品帶來獨(dú)特的價值。

SiP包含實(shí)現(xiàn)特定功能的所有器件，不受晶圓工藝的限制，可以根據(jù)功能需要進(jìn)行自由組合。

智能手機(jī)中的基帶、射頻、Wi-Fi、藍(lán)牙、電源管理、人工智能等芯片均可采用SiP技術(shù)。

示意圖：

得益于SiP市場在快速增長，預(yù)計到2025年SiP封裝產(chǎn)值將達(dá)到188億美元，其中移動和消費(fèi)電子達(dá)到157億美元，占比為84%。在手機(jī)和可穿戴市場，SiP已經(jīng)獲得巨大成功，并開始在工業(yè)、醫(yī)療、汽車、電視、電腦、HPC、航空航天等各領(lǐng)域全面滲透。

而SiP系統(tǒng)級封裝（System in Package），其中的兩個關(guān)鍵詞是系統(tǒng)（System）和封裝（Package)，其中的in看似無關(guān)緊要，其實(shí)卻也起到重要的作用，表明整個系統(tǒng)是在一個封裝內(nèi)的。

通過以下六張圖，我們就能清楚地理解Si3P代表的意義。

首先，第一張圖，通過將一個i擴(kuò)展為3個iii，

分別是integration，interconnection，intelligence。

第二張圖，in，代表系統(tǒng)是包含在封裝內(nèi)部，或者說在封裝內(nèi)包含一個系統(tǒng)，其中系統(tǒng)是主體（body)，封裝是載體（Carrier）。

第三張圖，integration，代表【集成，整合】的含義，是SiP理解的第一層次含義，

主要關(guān)注點(diǎn)為：

1.SiP中包含的模塊或芯片；

2.SiP采用的封裝結(jié)構(gòu)；

3.SiP采用的工藝和材料；

4.SiP結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和熱分析。

這更多從“物理結(jié)構(gòu)”的角度去理解，它就像建造房屋，需要對結(jié)構(gòu)，材料和工藝進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)劃，可以說，集成是SiP實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

第四張圖，interconnection，代表【互聯(lián)】的含義，是SiP理解的第二層次含義，

主要關(guān)注點(diǎn)為：

1.SiP中網(wǎng)絡(luò)的連接的方法；

2.阻抗匹配（單端，差分）；

3.高速的規(guī)則，等長約束；

4.電學(xué)設(shè)計，電學(xué)仿真，EDA工具。

這更多從“電氣信號”的角度去理解，是SiP功能實(shí)現(xiàn)和性能提升的關(guān)鍵，現(xiàn)在也越來越受到人們的重視。

第五張圖，intelligence，代表【智能，智力】的含義，這個"i"就是當(dāng)前最火的"AI"中的i，是SiP理解的第三層次含義，

主要關(guān)注點(diǎn)為：

1.SiP系統(tǒng)功能的定義；

2.SiP產(chǎn)品應(yīng)用的場景；

3.SiP系統(tǒng)調(diào)試（內(nèi)部調(diào)試，外部聯(lián)調(diào)）；

4.SiP軟件配置，算法應(yīng)用等。

這更多從“產(chǎn)品應(yīng)用”的角度去理解，是SiP真正發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)功能的核心，其中重要的一點(diǎn)就是要將軟件考慮到整個SiP系統(tǒng)中，和整個SiP系統(tǒng)一起進(jìn)行優(yōu)化。

這就好比一個城市有房屋，有交通，但這些還不夠，只有生活在城市里的人，人如何去使用這些設(shè)施，實(shí)現(xiàn)某個功能，城市才有意義。

第六張圖，做個總結(jié)，在設(shè)計一款SiP時，不僅僅要從“物理結(jié)構(gòu)”方面考慮，還要重點(diǎn)考慮“電氣信號”和“產(chǎn)品應(yīng)用”。即要考慮三個i。

其次我們再來談?wù)凷iP的三類集成：

先來看第一類集成，Intergration on Chip，也就是IC層面的集成。目前IC晶體管微觀尺寸已經(jīng)接近極限；而如果把IC的面積做大，則會帶來工藝難度和成本的提高；現(xiàn)在已知的3D集成的確是一種解決方案，不過目前也僅限于3D NAND Flash技術(shù)，相對其他期間還在探索中。

第二類集成，Intergration on PCB，也就是PCB的集成。從歷史來看，PCB基板多年以來發(fā)展緩慢，要么繼續(xù)縮小線寬、線間距；要么提高布線層數(shù)，但目前也都沒有太大的余地。而且，PCB組裝密度提高依賴于封裝尺寸縮小，器件引腳密度增大；PCB的3D集成也要借助結(jié)構(gòu)件才行。這些都是目前PCB集成遇到的卡點(diǎn)。

第三類集成，Intergration on Package，也就是封裝的集成。封裝的集成在3D集成的部分具備天然優(yōu)勢，因為芯片向上引出點(diǎn)通過鍵合線連接到基板便于堆疊安裝，倒裝焊芯片與鍵合線也能堆疊在一起。

發(fā)展現(xiàn)狀

在進(jìn)入21世紀(jì)，特別是近10年來，各種基于微組裝技術(shù)的平面結(jié)構(gòu)微系統(tǒng)和基于TSV、RDL等技術(shù)的2.5D微系統(tǒng)得以快速發(fā)展。

近年來，微系統(tǒng)三維集成技術(shù)已形成SiP 3D集成等發(fā)展路徑，并在成像傳感、光集成微系統(tǒng)、慣性傳感微系統(tǒng)、射頻微系統(tǒng)、生物微系統(tǒng)和邏輯微系統(tǒng)等方面開始應(yīng)用創(chuàng)新。

工藝尺寸的縮減直接帶來集成度的提升，封裝形式也在不斷地更新迭代，從1947年的TO型封裝，進(jìn)展到20世紀(jì)80年代后期的MCM封裝，再到2009年前后，系統(tǒng)級集成在中國開始廣泛地應(yīng)用，國內(nèi)目前主要開展的是微組裝封裝， SiP、 SoP、 2.5D和3D疊層集成技術(shù)研究，并且取得了較大的進(jìn)展。

我國正從政策和各方條件保障逐步地加大對微系統(tǒng)技術(shù)的扶持力度，意在超越摩爾時代使我國集成電路產(chǎn)業(yè)走出“低端模仿”，走向以技術(shù)創(chuàng)新為主的“高端替代”。

未來發(fā)展

未來，在微系統(tǒng)集成方面，將在當(dāng)前同質(zhì)2.5D集成的基礎(chǔ)上，快速往3D異質(zhì)集成（即在同一襯底上實(shí)現(xiàn)不同材料、不同工藝的微納器件集成）和3D異構(gòu)集成（COWOS、Info和Chiplet等）甚至是4D方向發(fā)展。為適應(yīng)電子產(chǎn)品發(fā)展趨勢，未來3D SIP應(yīng)用規(guī)模將快速擴(kuò)大，3D SIP將逐步替代SIP。我國是全球最大的電子產(chǎn)品生產(chǎn)國，芯片制造能力逐步提升，封裝實(shí)力不斷增強(qiáng)，未來3D SIP市場空間廣闊。

時至今日，國家也非常注重此方面的發(fā)展，國家科技部先后組織了“攀登計劃”“微電子機(jī)械系統(tǒng)”、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃“集成微光機(jī)電系統(tǒng)研究”和“863”重大專項等。

長運(yùn)通相信

隨著先進(jìn)封裝技術(shù)的不斷發(fā)展

集成電路芯片與集成電路封裝之間的界限

會日漸模糊

形成共融發(fā)展的新態(tài)勢

微系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展也會為電子產(chǎn)品的性能

帶來許多顛覆性的進(jìn)步

未來長運(yùn)通也將實(shí)現(xiàn)Si3P智能微集成包括電源+（電機(jī)驅(qū)動、數(shù)字隔離器等多功能微集成）等等更高集成，將實(shí)現(xiàn)提頻、高效、可智能、可通訊、可編程、可控制等等。把握后摩爾時代戰(zhàn)略機(jī)遇，推動其在高端裝備、汽車電子和健康醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用和全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，在Si3P微系統(tǒng)集成細(xì)分領(lǐng)域，努力實(shí)現(xiàn)從“并跑”到“領(lǐng)跑”的跨越。

審核編輯：湯梓紅