系统级封装（SiP）方案探讨

时间： 2024-08-20 来源：MK-米客方德官网

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1 SiP技术与特点

SiP为System in Package 缩写，中文：系统级封装。网上关于它的描述资料非常多，如SiP应用上最成功的应是水果的各类消费类产品。百度上关于SiP的说明各有各的说法：如：几颗芯片封装在一起；一颗芯片加几个电阻电容；不同的角度看都算是SiP，因而无需太纠结。关于SiP的组合方式有：平铺、堆叠、埋入、POP、PIP、AIP/AOP等。

SiP技术的优势及特点

使用SiP技术的产品集成化技术可以实现更低的成本，更高的性能，最关键的是可以给系统集成商提供turnkey方案（这个是核心技术）。这些优势使得SiP技术得到了广泛的应用，如量大的应用情景则用到它的模块化设计；终端则用到它的小型化优势。高密的产品用到它的提升模块性能。

SiP的主要优势如下这些点：

（1）产品小型化：

（2）模块化设计

（3）降低系统成本

（4）模组兼容设计

（5）提升模组性能

（6）降低封装成本

（7）提升保密性

（8）减体和减重

SiP虽然有前面提到的各种优势，当然也有它的一些不足及设计制造上的挑战）:

（1）裸Die的获取和测试（DC/AC测试，程序烧录等）

（2）封装EMC问题

（3）封装散热

（4）封装测试

（5）组装的精度及可靠性（Die Thickness，Bump Pitch）

（6）生命周期(芯片周期2-3年)

2 SiP Vs SOC

提到了SiP，有必要提SOC（System on Chip），毕竟如下图大名鼎鼎的摩尔定律是对SOC而言的,而SiP又被称为超摩尔定律（More Than Moore），因为随着芯片工艺极限的接近，使用SiP可以使此定律得以延续。

常有人问：SOC和SIP哪个更好？这只能说，没有最好、只有更好、大家好才是真的好。SOC集成度高，可靠性好，那为什么有些芯片用SiP而不用SOC呢，那是因为SOC也它的不足，具体的比较如下表：

要了解SOC有哪些不足，SiP又有什么优势，需要从芯片工艺、设计、封装的工艺和结构等方面进行深入说明。

材料与工艺

材料有不同，工艺也不相同，如Si/Ge、GaN、InP、SiC等他们的特点与状态如下：

电子产品中用到不同功能芯片，针对这些功能芯片，不同的工艺，不同的制程，生产出来的芯片在性能及应用领域与上市明显不一样。如下面的射频芯片的规划与应用领域图。

芯片材料和工艺的不同，其电子迁移速率，击穿电压、截止频率、功率消耗等均表现差异。如目前射频芯片市场主要分为两大类，一类是使用MEMS工艺制造的滤波器，以SAW和BAW为代表，另一类是使用半导体工艺制造的电路芯片，以PA和Switch为代表。PA通常使用GaAs HBT工艺制造，Switch使用GaAs pHEMT或SOI工艺。随着5G技术日益成熟，未来传统的LDMOS PA制程将逐渐被新兴的GaN取代。

因而：不同工艺技术的应用使得模组集成严重依赖先进封装技术。

即可以在SiP中根据需求组合出不同工艺芯片的产品，而组合完成的SiP在外表看与普通的几乎一样！

芯片工艺也一样。晶体管中PN结的制程，既可以通过电镀慢慢长上去，也可以先直接做好，再慢慢通过蚀刻的方式减下来。不同的方法，做出来的芯片，在成本，性能上必会有差异，就看是否能符合客户的需求了。

如：功放芯片用不同的工艺生产，性能指标肯定不一样；当然了，客户不一样，需求也不一样；或者A客户要求不高，只需要一个简单，指标要求不严格的芯片；而B客户则对指标要求高，对成本不太计较。这就好比市场上不同品牌的手机：苹果，华为，小米，还有360，魅族，TCL，格力等总有它的消费群体一个道理。

SiP封装集成

SiP封装会集成不同的有源/无源元件、各种基板线框等，如下图：

无源元件包括各种分立元件，有源器件则为各种裸Die等。

基板则有：有机，陶瓷，金属等；

如要集成电感时：可以用分立器件，也可以用IPD器件，也可以集成到基板上，也可以用Wafer工艺做到芯片里面。但做到芯片里面，电感值越大，DIE中占面积就越大，芯片面积增大，成本就会增加，同时，集成到芯片里面，干扰也越大，芯片开发的难度就越大。同时，大电流对芯片的可靠性的影响，这些都需要考虑。同一个感值的电感，用不同的工艺来做生产，分立器件成本是最低。再有就是分立器件更灵活，有些感值的电感，用芯片还不一定能做的出来，因为电感与的圈数（决定感值），同流（线径）等有关，这些晶圆的走线与分立器件的绕线不在一个数量级。

所以，针对SIP和SOC：

1、如果能用一种工艺来实现， SOC比较有优势

2、如果需要多种技术和工艺集成，SiP 最佳

SiP与SOC方案选取

SiP和SOC也不矛盾，SOC发展也促进了SiP的发展。例如驱动通流，Rds减少，芯片集成度，匹配，ESD防护等等。Memory颗粒的容量增大。芯片的功能集成度提升，系统的架构升级等等。同时 SiP的实现也可以变相地提前规避SOC设计中的风险。拆开来开发，可减少芯片的开发难度和投入。

1、混频器中应用的Balun方案

（1）直接集成到Mixer芯片内，比如Maxim ；

（2）采用陶瓷Balun，再表贴到基板上的，比如RFMD；

（3）采用基板Embedded的方式直接在基板上实现的，比如Skyworks；

（4）直接在产品PCB上实现，比如HUAWEI。

2、BLE和WIFI方案

（1）有厂家都是单独一颗颗的器件，在PCB上贴两颗IC；

（2）有厂家采用SiP技术封装到一个模组内;

（3）有厂家直接做成一颗SOC，尺寸做得更小。

不同的厂商采用不同的设计，当然，在成本和性能上也有一些差异，这个就看客户的指标要求和成本要求了。

方案选取时还需要好了解工艺制程、成本、良率、公司的设计人员是否有掌握了工艺能力，是否掌握了设计能力，能不能找到资源把设计的芯片加工出来、良率、交期、成本等是否满足要求，除了技术上的因素，还有很多商务上的，或者是政治上的（比如现在的中美贸易战）等不同的因素。

3 MCM

与SiP常混淆的另一个概念为MCM（Multi Chip Module）多芯片模组，一般认为MCM是SiP的前身。MCM多是针对成片的模组而言，现在MCM用在陶瓷基板封装的比较偏多。当然，这个没有绝对，SiP和MCM也没有严格去划分，采用成片和基板封装成一个模组，如果模组尺寸比较对称，能用于直接SMT，就不需要用于贴片机贴片，如果Module不利于贴片机的吸嘴，可以考虑加一个LID，或者是MOLD起来，外观看起来就是一个封装器件了。

不同公司的对SiP的称呼不一样，这也不排除蹭热点的可能。比如，Skyworks的资料中把SIP全部归纳到MCM，不管是成片还是裸片。但相同类型的器件，TQS（现在的Qrovo）则称之为SiP。ADI也称之为SiP。

当然了，除了封装的称呼的区别，Skyworks把封装用的Substrate也称之为PCB，在Skyworks的资料里就没有substrate这个名词（也有可能非常专业人士干的活，刚好这块不复杂）。正如周总在《唐伯虎点秋香》中说的“名字只是一个代号”，不必太认真。

4系统与方案

SiP是一门综合多学科的技术，它涵盖了电路、电磁、材料、力、热等。要做好SiP产器，必须要从产品设计、系统架构、硬件设计、封装设计、封装组装、测试、可靠性、成本和供应链等方面进行综合的考虑。

针对SiP，建议关注学习下图的相关知识与技能：

因而，做SiP要学的知识很多，系统考虑很关键。

如下面的相互关系，每一个阶段都与下一个阶段密切相关。

（1）应用决定了模组的量产

（2）制造决定了模组的成本

（3）设计决定了产品的性能

（4）方案决定了项目的成败

一个SiP项目，哪一步最重要？当然方案是最重要的。采用哪种方案（平铺？堆叠？埋入式？采用哪种工艺？），集成哪些器件（哪些功能？哪个厂家，哪种形式），采用哪种封装（LGA？BGA? POP？），Pinmap（信号管脚排布，测试管脚引出，外围电路与内部对应），封装工艺流程及其加工验证计划等等。这些都是我们需要在方案确定是需要明确的，也就是我们系统级封装的核心。

这些东西可能在最初的方案及其立项阶段不一定能完全确定，在实际项目开展过程中可能还需要进行变更。但是变更的时候，一定要思考其变更对其他领域带来的影响，这些技能需要长期的学习与积累。

SiP：System in Package ：“系统级”封装，系统是SiP与常规的Package最大的差异，没有System意识，谈不上懂SiP；最多算是封装工艺工程师，或者是封装Layout工程师。

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