系统级封装技术和微系统之从基础到应用

逍遥设计自动化

引言
系统级封装(SiP)技术是现代电子领域的革命性进展，将多个有源元件和无源器件集成在单个封装中，实现特定的系统功能。先进的封装方案改变了电子系统设计和制造的格局，在尺寸、功耗和性能方面具有显著优势[1]。

SiP技术概述
SiP技术将具有不同功能的裸芯片，以及电阻、电容、电感等无源器件集成在一个标准封装中。这种集成形成了完整的系统或子系统，通常被称为微系统。该技术在实现模式和范围上与片上系统(SoC)有显著区别。

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6 H& f" J( [7 m+ f5 e3 j8 u+ ^' \图1展示了SiP和SoC的基本关系，突出显示了各自在系统集成方面的不同方法。
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) @& P( @3 ~9 s! ~2 n该技术受到传统封装设计者、MCM设计者、pcb设计者和SoC设计者的广泛关注。与传统PCB解决方案相比，SiP仅需10-20%的PCB面积和40%的功耗，同时提供更优的性能。与SoC相比，SiP开发仅需10-20%的时间和10-15%的成本。

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图2显示了SiP如何获得多个技术领域和行业的关注，展示了广泛的影响力。

技术层次和实现
系统架构可分为三个不同层次：
1. 芯片层：包括SoC、FPGA和Chiplet
2. 封装层：包括SiP、MCM、PoP
2 W- u( Y9 `' P- ]3. 板级层：包括PCB、FPC和刚挠结合板

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' X4 V# ^1 N8 [& m1 ?9 m图3描绘了SiP和相关技术在不同实现层次之间的层次关系。

% q+ j4 Y. f+ ~+ c/ D& x& _2 ZSiP的出现导致半导体行业传统商业模式的转变。这种演变在芯片制造商、封装企业和系统开发者之间创造了新的协作模式。
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图4比较了SiP技术带来的半导体行业传统模式和新模式。

应用和实现
SiP技术在多个领域得到广泛应用：
2 i$ ]" i& ]+ |! d  ?* D1. 移动设备
* J& q8 Y1 \- C1 b2 n- r  s苹果、三星、华为等主要智能手机制造商广泛使用SiP技术。该技术实现了模块化设计，将各种功能集成在紧凑的封装中。
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4 S: z" _; C1 t2 _' y* i7 j图5展示了采用多个SiP组件的苹果智能手机，展示了消费电子领域的实际应用。
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2. 可穿戴技术
智能手表、健身追踪器和其他可穿戴设备从SiP的微型化和集成能力中获益。

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- ^& U* P, [! p+ r( W$ z图6展示了智能手表及其集成的传感器，显示了SiP如何实现先进的可穿戴技术。
6 S; n8 S! ~* J1 t. s( g
1 {9 e8 k. t+ l; _9 D% F, N7 S3. 航空航天应用
; ~) z% D  M% [& `1 ^8 t8 Q1 ESiP技术在航空航天应用中特别有价值，因为能够满足微型化、低功耗和高性能的严格要求。

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图7展示了航空航天应用为SiP技术提供的理想机会。
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: H' j$ H* \2 \0 `& C3 l5 e- HSiP类型和结构
8 ~$ a  E, P, g$ n1 nSiP实现主要有三种形式：
1. 塑料SiP

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图8呈现了塑料SiP的基本结构图，显示了基本组件和排列。

  l8 ]* f/ D* z2 a2. 陶瓷SiP

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图9显示了陶瓷SiP的基本结构，突出显示了集成设计方法。
6 ~8 Y- B4 f# W* G
) H0 p, q1 B" {( h3 `. n# u. `3. 金属SiP

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图10说明了金属SiP的基本结构，展示了独特的构造和组件。

+ h+ E# s2 l* w+ Q) [7 w! f' Y: ?微系统集成
. H) h: B2 D; }* N/ d' m% r微系统的概念随着SiP技术显著发展。现代微系统可以包含各种组件，包括电子器件、传感器、光学器件和机械结构，全部集成在单个封装中。

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图11显示了SiP如何作为微系统实现的关键载体，展示了各种组件的集成。
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7 ~5 g7 t* A& O( x发展方向
随着技术的不断进步，SiP在电子系统设计和实现中的作用将继续加强。结合高性能与减小尺寸和功耗的能力使其成为下一代电子器件和系统的理想解决方案。技术的灵活性和可扩展性确保了在解决未来技术挑战和需求方面的持续相关性。
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SiP技术代表了电子系统集成的重要进步，为现代电子器件需求提供了强大的解决方案。在保持高性能和效率的同时组合多个组件的能力使其成为未来电子系统发展的基础技术。

% ]- ?& e' {4 k3 v6 x参考文献
[1] S. Li, "SiP and MicroSystem," in MicroSystem Based on SiP Technology, S. Li, Ed. Beijing, China: Publishing House of Electronics Industry, 2022, ch. 3, pp. 67-87.

END


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