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什么是系统级封装(system in package,SIP)?
2009/8/19 11:05:27    杨邦朝、马嵩、胡永达

系统级封装(system in package,SIP)是一种新型的封装技术,在IC封装领域,SIP是最高级的封装。在ITRS2005中对SIP的定义是:“SIP是采用任何组合,将多个具有不同功能的有源电子器件与可选择的无源元件,以及诸如MEMS或者光学器件等其他器件,组装成为可以提供多种功能的单个标准封装件,形成一个系统或者子系统”。对于SIP而言,在单一的模块内需要集成不同的有源芯片和无源元件、非硅器件、MEMS元件甚至光电芯片等,更长远的目标则考虑在其中集成生物芯片等。目前在无线通讯领域内特别是在3G领域内,SIP是非常有潜力的技术。


(1)SIP的发展


SIP技术从20世纪90年代提出到现在,经过几十年的发展,已被学术界和工业界广泛接受,成为国内外电子领域研究热点之一,并被认为今后电子技术发展的主要方向之一。随着集成电路技术的进步、以及其它元件的微型化的发展为电子产品性能的提高、功能的丰富与完善、成本降低创造了条件。现在不仅军用产品,航天器材需要小型化,工业产品,甚至消费产品,尤其是便携式产品也同样要求微小型化。这一趋势反过来要求微电子技术的不断微小型化。这就是近年来SIP之所以取得了迅速发展的背景。

封装技术大致每十年更新一代,从第一代插孔元件、第二代表面贴装、第三代面积阵列,到当今第四代芯片封装,封装承制商和芯片制造商紧密合作研究和开发了若干种先进的封装和测试技术以满足不同领域的需求,这些不断涌现的封装新技术为SIP的实现奠定了坚实的基础。


(2)SIP的优势


SIP技术已有若干重大突破,在许多方面具有明显的优势特点,大致归纳如下:
(1)封装效率大大提高,SIP技术在同一封装体内叠加多个芯片,特别是把Z方向的空间也利用起来,从而大大减少了封装体积。两芯片叠加使面积比增加到170%,三芯片叠装可增至250%。
(2)大大缩短产品投放市场的周期。由于SIP无需像SOC那样进行版图级布局布线,从而减小设计、验证和调试的复杂性和减少系统实现的时间。即使需要局部改动设计,也比SOC要简单容易的多。
(3)SIP可以实现不同工艺、材料制作的芯片封装形成一个系统,比如可以将Si、GaAs、InP的芯片组合一体化封装。从而具有很好的兼容性,并可实现嵌入集成化无源元件的梦幻组合。
(4)降低系统成本。比如一个专用的集成电路系统,如果需求量不是特别大时,采用SIP技术可以比SOC节省更多的系统设计和生产费用。
(5)SIP技术可以使多个封装合而为一,可使总的焊点大为减少,也可以显著减小封装体积、重量,缩短元件的连接路线,从而使电性能得以提高。
(6)SIP采用一个封装体来完成一个系统目标产品的全部互连以及功能和性能参数,可同时利用引线键合与倒装焊互连以及别的IC芯片直接内连技术。
(7)SIP可提供低功耗和低噪声的系统级连接,在较高的频率下工作可以获得几乎与SOC相等的总线宽度。
(8)SIP具有良好的抗机械和化学腐蚀的能力以及高的可靠性。
(9)使现有的芯片资源得到充分的利用。SIP可以花费最小的努力,将现有芯片的功能添加到系统中,增加设计的灵活性。
(10)和传统的芯片封装不同,SIP不仅可以处理数字系统,还可以应用于光通信、传感器、以及MEMS等领域。


(3)SOP与SIP区分


目前国内以及世界上很多人把系统级封装的英文用SOP(system on package)和SIP(system in package)来表述,认为它们代表一个意思,将他们一起使用。但由于SOP已经是一个封装形式(small out package)缩写,为避免混淆,很多人更愿意用SIP。目前ITRS(international technology Roadmap for semiconductor,国际半导体技术指南)、JEITA(Japan Electronics and information technology industries Association,日本电子情报产业协会)编辑的JJTR(Japan Jisso technology roadmap日本封装技术指南)以及相关的国际会议中,已普遍采用SIP这一简称。


(4)SIP与SOC的比较


SOC(system on chip,系统级芯片)与SIP是当今电子产业最热门的两项技术。在IC领域内,SOC是最高级的芯片;在IC封装领域,SIP是最高级的封装。两者都可以达到系统级的性能。从设计角度出发,希望在芯片上实现系统的功能。在理想的情况下,SOC可以实现最低的成本、最小的尺寸和最优的性能。但是到目前为止,采用SOC方案还无法解决非硅芯片(如GaAs、GeSi芯片)和MEMS晶片的集成。若从封装的角度出发,作为另外一种解决方案,系统级封装(SIP)得到越来越多的关注。

SIP与SOC是两项平行发展的系统集成技术,它们都顺应了电子产品高性能、多功能、小型化、轻量化和高可靠性的发展趋势。从发展的历程来看,SOC与SIP是极为相似的,两者均希望将逻辑组件、数字、模拟、无源器件整合在一个单元中。然而就发展方向而言,两者有很大的不同:SOC是从设计的角度出发,目的是将一个系统整合到一块IC芯片上去;而SIP则是由封装的角度出发,将不同功能的芯片整合于一个电子封装结构体内。

SOC是最近十几年才出现的概念,是将系统的多种功能集成在单一的芯片上,并加以封装便形成了一个系统级芯片。通常是将MPU、DSP图像处理、存储器、RF和逻辑电路集成在一起。这种芯片包括专用集成电路(ASIC),可以满足高端计算机、3G通讯、网络服务器等的应用需要。SOC的关键技术包括:深亚微米技术、低电压、低功耗技术、低噪声设计及隔离技术、特殊电路的工艺兼容技术、设计方法的研究、嵌入式IP核设计技术、测试策略和可测性技术、软硬件协同设计技术、安全保密技术等。但在实际应用中SOC面临很多困难和制约其发展的因素。包括现阶段IP核资源还不够丰富且因各个企业追求经济效益以及保密限制彼此之间会形成壁垒;研发成本过高以及设计周期相对过长;生产工艺复杂和成品率不高等。此外在SOC中采用混合半导体技术(如GaAs和SiGe)也存在问题。这时SIP的出现弥补了SOC的一些不足之处。例如:SIP的设计周期要短、灵活性要好、研发投入也少、噪声干扰可以大幅降低和良好的工艺兼容性等。但并不能说SIP可以代替SOC,特别是对许多产量规模十分巨大,又是以CMOS技术为基础的应用,SOC仍然是不可取代的优先选择。

SIP与SOC各有所长。SIP的优点是可实现高功能、开发周期短、低价格等。SOC优点是低功耗、高性能、实装面积小等。两者互为促进,协同发展,并都可以实现系统集成。用户可以根据自己的实际情况作出最佳的选择。


(5)HIC、MCM、SIP之间的关系


IC的发展过程是不断进步,不断创新的。但这种进步和创新是以原有技术为基础的。如HIC、MCM、SIP这三种技术。多芯片模块最早是从混合集成电路(HIC)开始的,经过MCM,到目前的SIP。这三者并非相互独立,而是在传承的基础上进行了创新。

首先,SIP的市场规模比一般封装的规模大,增长空间也大;SIP的核心是芯片与元器件在不同工作频段的高密度组装和互连,采用的主要是HIC技术;将成熟的HIC技术应用于微波、毫米波频段是HIC的重要发展方向。

SIP与MCM的区别是:多芯片组件只是通过简单地将各种芯片、元件连接起来的附加值(一般是同种芯片)。而SIP中可搭载不同类型的芯片,芯片之间可以进行信号的存取和交换,从而来完成一个系统目标产品的全部互连以及功能和性能参数。
 

(6)SIP的技术目标


当前,SIP的技术目标是实现两大主流发展方向的电路集成:一是微电磁元器件和集成电路为主的电路的集成。目标是实现各类微波/毫米波电路与整机的模块化、固态化、小型化和高性能化。二是以高密度多层布线基板为基础,以各类LSI、VLSI芯片之间微结构电磁互连组装为技术支撑,实现电子整机的高密度化组装、小体积、多功能和高可靠。

未来的新型SIP,将利用非常窄节距的倒装芯片以及穿透硅片的互连(TWEI)形成新的一级互连;利用薄膜互连技术实现无源元件的集成;利用高性能的新型高密度有机功能基板技术,实现三维芯片堆叠和封装堆叠;以及芯片、封装和基板的SIP共同设计与测试方法等。目前在国际上越来越多的人力和资源投入到包括SIP设计方法、新集成化方案和技术手段的研究开发中。

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