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          系統級封裝(SiP)方案探討

          作者: 陶源amao_eda365 2020-02-24


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          SiP技術與特點

                 SiP為System in Package 縮寫,中文:系統級封裝。網上關于它的描述資料非常多,如SiP應用上最成功的應是水果的各類消費類產品。百度上關于SiP的說明各有各的說法:如:幾顆芯片封裝在一起;一顆芯片加幾個電阻電容;不同的角度看都算是SiP,因而無需太糾結。關于SiP的組合方式有:平鋪、堆疊、埋入、POP、PIP、AIP/AOP等。

                                                                                                                  圖1      SiP的組合方式 


          SiP技術的優勢及特點

                使用SiP技術的產品集成化技術可以實現更低的成本,更高的性能,最關鍵的是可以給系統集成商提供turnkey方案(這個是核心技術)。這些優勢使得SiP技術得到了廣泛的應用,如量大的應用情景則用到它的模塊化設計;終端則用到它的小型化優勢。高密的產品用到它的提升模塊性能。

                                                                                                                      圖2      SiP應用情景

          SiP的主要優勢如下這些點:

          (1)產品小型化:

          (2)模塊化設計

          (3)降低系統成本

          (4)模組兼容設計

          (5)提升模組性能

          (6)降低封裝成本

          (7)提升保密性

          (8)減體和減重

          SiP雖然有前面提到的各種優勢,當然也有它的一些不足及設計制造上的挑戰):

          (1)裸Die的獲取和測試(DC/AC測試,程序燒錄等)

          (2)封裝EMC問題

          (3)封裝散熱

          (4)封裝測試

          (5)組裝的精度及可靠性(Die Thickness,Bump Pitch)

          (6)生命周期(芯片周期2-3年)


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          SiP Vs SOC

                提到了SiP,有必要提SOC(System on Chip),畢竟如下圖大名鼎鼎的摩爾定律是對SOC而言的,而SiP又被稱為超摩爾定律(More Than Moore),因為隨著芯片工藝極限的接近,使用SiP可以使此定律得以延續。

                                                                                                                圖3      Moore Law


          常有人問:SOC和SIP哪個更好?這只能說,沒有最好、只有更好、大家好才是真的好。SOC集成度高,可靠性好,那為什么有些芯片用SiP而不用SOC呢,那是因為SOC也它的不足,具體的比較如下表:

          表1 SOC與SiP比較

          要了解SOC有哪些不足,SiP又有什么優勢,需要從芯片工藝、設計、封裝的工藝和結構等方面進行深入說明。


          材料與工藝

          材料有不同,工藝也不相同,如Si/Ge、GaN、InP、SiC等他們的特點與狀態如下:

          表2 材料及工藝比較

                 電子產品中用到不同功能芯片,針對這些功能芯片,不同的工藝,不同的制程,生產出來的芯片在性能及應用領域與上市明顯不一樣。如下面的射頻芯片的規劃與應用領域圖。

                                                                                                              圖4      射頻芯片的規劃與應用領域

                

                 芯片材料和工藝的不同,其電子遷移速率,擊穿電壓、截止頻率、功率消耗等均表現差異。如目前射頻芯片市場主要分為兩大類,一類是使用MEMS工藝制造的濾波器,以SAW和BAW為代表,另一類是使用半導體工藝制造的電路芯片,以PA和Switch為代表。PA通常使用GaAs HBT工藝制造,Switch使用GaAs pHEMT或SOI工藝。隨著5G技術日益成熟,未來傳統的LDMOS PA制程將逐漸被新興的GaN取代。

          因而:不同工藝技術的應用使得模組集成嚴重依賴先進封裝技術。

          即可以在SiP中根據需求組合出不同工藝芯片的產品,而組合完成的SiP在外表看與普通的幾乎一樣!

          芯片工藝也一樣。晶體管中PN結的制程,既可以通過電鍍慢慢長上去,也可以先直接做好,再慢慢通過蝕刻的方式減下來。不同的方法,做出來的芯片,在成本,性能上必會有差異,就看是否能符合客戶的需求了。

          如:功放芯片用不同的工藝生產,性能指標肯定不一樣;當然了,客戶不一樣,需求也不一樣;或者A客戶要求不高,只需要一個簡單,指標要求不嚴格的芯片;而B客戶則對指標要求高,對成本不太計較。這就好比市場上不同品牌的手機:蘋果,華為,小米,還有360,魅族,TCL,格力等總有它的消費群體一個道理。


          SiP封裝集成


          SiP封裝會集成不同的有源/無源元件、各種基板線框等,如下圖:


                            圖5      SiP封裝集成元素


          無源元件包括各種分立元件,有源器件則為各種裸Die等。

          基板則有:有機,陶瓷,金屬等;

          如要集成電感時: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工藝做到芯片里面。但做到芯片里面,電感值越大,DIE中占面積就越大,芯片面積增大,成本就會增加,同時,集成到芯片里面,干擾也越大,芯片開發的難度就越大。同時,大電流對芯片的可靠性的影響,這些都需要考慮。同一個感值的電感,用不同的工藝來做生產,分立器件成本是最低。再有就是分立器件更靈活,有些感值的電感,用芯片還不一定能做的出來,因為電感與的圈數(決定感值),同流(線徑)等有關,這些晶圓的走線與分立器件的繞線不在一個數量級。

          所以,針對SIP和SOC:

          1、如果能用一種工藝來實現, SOC比較有優勢

          2、如果需要多種技術和工藝集成,SiP 最佳


          SiP與SOC方案選取


                SiP和SOC也不矛盾,SOC發展也促進了SiP的發展。例如驅動通流,Rds減少,芯片集成度,匹配,ESD防護等等。Memory顆粒的容量增大。芯片的功能集成度提升,系統的架構升級等等。同時  SiP的實現也可以變相地提前規避SOC設計中的風險。拆開來開發,可減少芯片的開發難度和投入。

          1、混頻器中應用的Balun方案

          (1)直接集成到Mixer芯片內,比如Maxim ;

          (2)采用陶瓷Balun,再表貼到基板上的,比如RFMD;

          (3)采用基板Embedded的方式直接在基板上實現的,比如Skyworks;

          (4)直接在產品PCB上實現,比如HUAWEI。

          2、BLE和WIFI方案

          (1)有廠家都是單獨一顆顆的器件,在PCB上貼兩顆IC;

          (2)有廠家采用SiP技術封裝到一個模組內;

          (3)有廠家直接做成一顆SOC,尺寸做得更小。

          不同的廠商采用不同的設計,當然,在成本和性能上也有一些差異,這個就看客戶的指標要求和成本要求了。

          方案選取時還需要好了解工藝制程、成本、良率、公司的設計人員是否有掌握了工藝能力,是否掌握了設計能力,能不能找到資源把設計的芯片加工出來、良率、交期、成本等是否滿足要求,除了技術上的因素,還有很多商務上的,或者是政治上的(比如現在的中美貿易戰)等不同的因素。


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          MCM

                 與SiP常混淆的另一個概念為MCM(Multi Chip Module)多芯片模組,一般認為MCM是SiP的前身。MCM多是針對成片的模組而言,現在MCM用在陶瓷基板封裝的比較偏多。當然,這個沒有絕對,SiP和MCM也沒有嚴格去劃分,采用成片和基板封裝成一個模組,如果模組尺寸比較對稱,能用于直接SMT,就不需要用于貼片機貼片,如果Module不利于貼片機的吸嘴,可以考慮加一個LID,或者是MOLD起來,外觀看起來就是一個封裝器件了。

          不同公司的對SiP的稱呼不一樣,這也不排除蹭熱點的可能。比如,Skyworks的資料中把SIP全部歸納到MCM,不管是成片還是裸片。但相同類型的器件,TQS(現在的Qrovo)則稱之為SiP。ADI也稱之為SiP.

          當然了,除了封裝的稱呼的區別,Skyworks把封裝用的Substrate也稱之為PCB,在Skyworks的資料里就沒有substrate這個名詞(也有可能非常專業人士干的活,剛好這塊不復雜)。正如周總在《唐伯虎點秋香》中說的“名字只是一個代號”,不必太認真。



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          系統與方案

                 SiP是一門綜合多學科的技術,它涵蓋了電路、電磁、材料、力、熱等。要做好SiP產器,必須要從產品設計、系統架構、硬件設計、封裝設計、封裝組裝、測試、可靠性、成本和供應鏈等方面進行綜合的考慮。

          針對SiP,建議關注學習下圖的相關知識與技能:

                     圖6      SiP開發關注點


          因而,做SiP要學的知識很多,系統考慮很關鍵。

          如下面的相互關系,每一個階段都與下一個階段密切相關。

          (1)應用決定了模組的量產

          (2)制造決定了模組的成本

          (3)設計決定了產品的性能

          (4)方案決定了項目的成敗

          一個SiP項目,哪一步最重要?當然方案是最重要的。采用哪種方案(平鋪?堆疊?埋入式?采用哪種工藝?),集成哪些器件(哪些功能?哪個廠家,哪種形式),采用哪種封裝(LGA?BGA? POP?),Pinmap(信號管腳排布,測試管腳引出,外圍電路與內部對應),封裝工藝流程及其加工驗證計劃等等。這些都是我們需要在方案確定是需要明確的,也就是我們系統級封裝的核心。

          這些東西可能在最初的方案及其立項階段不一定能完全確定,在實際項目開展過程中可能還需要進行變更。但是變更的時候,一定要思考其變更對其他領域帶來的影響,這些技能需要長期的學習與積累。


          SiP:System in Package :“系統級”封裝,系統是SiP與常規的Package最大的差異,沒有System意識,談不上懂SiP;最多算是封裝工藝工程師,或者是封裝Layout工程師。


          注:原創作者是陶源amao_eda365


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