系統(tǒng)級封裝(SiP)技術(shù)介紹

Si3P框架簡介

系統(tǒng)級封裝(SiP)代表電子封裝技術(shù)的重大進(jìn)步，將多個有源和無源元件組合在單個封裝中。本文通過Si3P框架探討SiP的基本概念和發(fā)展，包括集成、互連和智能三個方面[1]。

SiP概念可以通過Si3P更好地理解，將"i"擴(kuò)展為三個關(guān)鍵要素：集成、互連和智能。

圖1展示了SiP向Si3P的擴(kuò)展，說明一個"i"如何轉(zhuǎn)變?yōu)榇砑伞⒒ミB和智能的三個"i"。

SiP的集成層次

SiP集成發(fā)生在三個不同層次：芯片級、印制電路板級和封裝級。每個層次都具有獨特的挑戰(zhàn)和系統(tǒng)開發(fā)機(jī)會。

圖2展示了電子系統(tǒng)集成的三個層次，顯示了從芯片到封裝再到印制電路板的層次結(jié)構(gòu)。

互連架構(gòu)

SiP的互連包括三個主要領(lǐng)域：電磁(EM)、熱力和力學(xué)。對于電磁互連，信號完整性和傳輸路徑優(yōu)化尤為重要。

圖3顯示了從芯片到封裝的信號傳輸路徑，說明了各種互連元素。

熱管理方案

SiP的熱管理需要仔細(xì)考慮熱傳遞路徑。熱結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線有助于分析散熱特性。

圖4顯示了熱結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線，展示了不同材料的熱阻和熱容量變化。

對于高功率應(yīng)用，可能需要特殊的散熱通道來有效管理熱量。

圖5說明了SiP設(shè)計中通過特殊散熱通道進(jìn)行散熱的方式。

機(jī)械設(shè)計考慮

力學(xué)互連處理影響封裝的外部和內(nèi)部力。QFN和QFP等不同封裝類型具有不同的力學(xué)處理能力。

圖6比較了QFN和QFP封裝類型，展示其不同的結(jié)構(gòu)特征。

智能化與測試策略

SiP的智能化包括系統(tǒng)功能、測試和軟件集成。

測試包括機(jī)器級和板級驗證。

圖7解釋了SiP器件的機(jī)器測試原理。

歷史演進(jìn)

電子集成的歷史發(fā)展顯示了SiP如何成為關(guān)鍵技術(shù)。

圖8展示了印制電路板、封裝和集成電路技術(shù)的集成歷史，顯示其并行發(fā)展。

概念框架與未來展望

Si3P概念可以通過類比來理解：集成類似于建造房屋，互連類似于修建道路，智能類似于人類居住者。

圖9總結(jié)了Si3P概念，顯示物理結(jié)構(gòu)、能量傳遞和功能應(yīng)用之間的關(guān)系。

隨著技術(shù)發(fā)展，SiP技術(shù)繼續(xù)發(fā)展新的集成方法和互連策略。在后摩爾定律時代，傳統(tǒng)縮放面臨物理限制時，這項技術(shù)顯示出特殊優(yōu)勢。

圖10提供了Si3P的概念理解，說明其三個主要組成部分。

應(yīng)用與實施

這項技術(shù)在消費電子到航空航天等多個領(lǐng)域得到應(yīng)用。現(xiàn)代智能手機(jī)就集成了多個協(xié)同工作的SiP系統(tǒng)。每個SiP可以處理特定功能，如感測、處理或通信，同時保持與其他系統(tǒng)組件的兼容性。

SiP設(shè)計需要仔細(xì)考慮應(yīng)用場景。例如，用于空間探索的SiP必須考慮輻射效應(yīng)和自主運行能力，而用于智能手機(jī)的SiP則必須優(yōu)先考慮功率效率和緊湊形態(tài)。

測試和調(diào)試是SiP開發(fā)中的重要部分，通常占用超過一半的開發(fā)時間。各種測試，包括功能、性能、機(jī)械強(qiáng)度、熱沖擊和可靠性測試，確保最終產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

軟件在SiP功能中發(fā)揮著越來越重要的作用。硬件和軟件之間存在相互依存的關(guān)系：硬件提供物理平臺，軟件實現(xiàn)功能和智能。這包括基本操作的系統(tǒng)軟件、特定功能的應(yīng)用軟件和驗證與調(diào)試的測試軟件。

參考文獻(xiàn)

[1] S. Li, "From SiP to Si3P," in MicroSystem Based on SiP Technology, S. Li, Ed. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2022, pp. 29-65.