從SiP到Si3P未來發展研究

市場分析

隨著現代電子技術和系統復雜度的不斷提高，電子裝備越來越小型化和高集成化，而半導體特征尺寸逐漸逼近物理極限，芯片的設計難度和制造成本明顯提升，傳統封裝技術已不能滿足多芯片、多器件的高性能互聯，這對封裝技術提出了越來越高的要求。通過微縮特征尺寸以實現芯片性能翻倍難以繼續，但系統對性能提升的要求沒有降低，系統復雜度仍在持續增長。

為了滿足需求，研究人員從封裝層面上構建系統級封裝(System in package, SiP)。與傳統封裝技術相比，SiP更能滿足集成電路向更高集成度、更高性能、更高工作頻率發展的要求，其中三維系統級封裝(3D-system in package, 3D-SiP)通過多層堆疊和立體互聯實現了芯片和器件的高性能集成。

而長運通也致力于由SiP向Si3P（SiiiP：integration-集成、 interconnection-互聯、 intelligence-智能）方向研究，其產品為我們身處的模擬世界與數字化電子建立起到了不可或缺的橋梁。

今天這篇文章，長運通就要和大家講講長運通致力于研究的方向——Si3P。

從SiP到Si3P

首先說說SiP，

SiP是先進封裝技術里的一種，可以在小體積內集成復雜的電子系統或子系統，在外形、性能和成本上都很有優勢，可以給終端產品帶來獨特的價值。

SiP包含實現特定功能的所有器件，不受晶圓工藝的限制，可以根據功能需要進行自由組合。

智能手機中的基帶、射頻、Wi-Fi、藍牙、電源管理、人工智能等芯片均可采用SiP技術。

示意圖：

得益于SiP市場在快速增長，預計到2025年SiP封裝產值將達到188億美元，其中移動和消費電子達到157億美元，占比為84%。在手機和可穿戴市場，SiP已經獲得巨大成功，并開始在工業、醫療、汽車、電視、電腦、HPC、航空航天等各領域全面滲透。

而SiP系統級封裝（System in Package），其中的兩個關鍵詞是系統（System）和封裝（Package)，其中的in看似無關緊要，其實卻也起到重要的作用，表明整個系統是在一個封裝內的。

通過以下六張圖，我們就能清楚地理解Si3P代表的意義。

首先，第一張圖，通過將一個i擴展為3個iii，

分別是integration，interconnection，intelligence。

第二張圖，in，代表系統是包含在封裝內部，或者說在封裝內包含一個系統，其中系統是主體（body)，封裝是載體（Carrier）。

第三張圖，integration，代表【集成，整合】的含義，是SiP理解的第一層次含義，

主要關注點為：

1.SiP中包含的模塊或芯片；

2.SiP采用的封裝結構；

3.SiP采用的工藝和材料；

4.SiP結構強度分析和熱分析。

這更多從“物理結構”的角度去理解，它就像建造房屋，需要對結構，材料和工藝進行詳細的規劃，可以說，集成是SiP實現的基礎。

第四張圖，interconnection，代表【互聯】的含義，是SiP理解的第二層次含義，

主要關注點為：

1.SiP中網絡的連接的方法；

2.阻抗匹配（單端，差分）；

3.高速的規則，等長約束；

4.電學設計，電學仿真，EDA工具。

這更多從“電氣信號”的角度去理解，是SiP功能實現和性能提升的關鍵，現在也越來越受到人們的重視。

第五張圖，intelligence，代表【智能，智力】的含義，這個"i"就是當前最火的"AI"中的i，是SiP理解的第三層次含義，

主要關注點為：

1.SiP系統功能的定義；

2.SiP產品應用的場景；

3.SiP系統調試（內部調試，外部聯調）；

4.SiP軟件配置，算法應用等。

這更多從“產品應用”的角度去理解，是SiP真正發揮作用，實現功能的核心，其中重要的一點就是要將軟件考慮到整個SiP系統中，和整個SiP系統一起進行優化。

這就好比一個城市有房屋，有交通，但這些還不夠，只有生活在城市里的人，人如何去使用這些設施，實現某個功能，城市才有意義。

第六張圖，做個總結，在設計一款SiP時，不僅僅要從“物理結構”方面考慮，還要重點考慮“電氣信號”和“產品應用”。即要考慮三個i。

其次我們再來談談SiP的三類集成：

先來看第一類集成，Intergration on Chip，也就是IC層面的集成。目前IC晶體管微觀尺寸已經接近極限；而如果把IC的面積做大，則會帶來工藝難度和成本的提高；現在已知的3D集成的確是一種解決方案，不過目前也僅限于3D NAND Flash技術，相對其他期間還在探索中。

第二類集成，Intergration on PCB，也就是PCB的集成。從歷史來看，PCB基板多年以來發展緩慢，要么繼續縮小線寬、線間距；要么提高布線層數，但目前也都沒有太大的余地。而且，PCB組裝密度提高依賴于封裝尺寸縮小，器件引腳密度增大；PCB的3D集成也要借助結構件才行。這些都是目前PCB集成遇到的卡點。

第三類集成，Intergration on Package，也就是封裝的集成。封裝的集成在3D集成的部分具備天然優勢，因為芯片向上引出點通過鍵合線連接到基板便于堆疊安裝，倒裝焊芯片與鍵合線也能堆疊在一起。

發展現狀

在進入21世紀，特別是近10年來，各種基于微組裝技術的平面結構微系統和基于TSV、RDL等技術的2.5D微系統得以快速發展。

近年來，微系統三維集成技術已形成SiP 3D集成等發展路徑，并在成像傳感、光集成微系統、慣性傳感微系統、射頻微系統、生物微系統和邏輯微系統等方面開始應用創新。

工藝尺寸的縮減直接帶來集成度的提升，封裝形式也在不斷地更新迭代，從1947年的TO型封裝，進展到20世紀80年代后期的MCM封裝，再到2009年前后，系統級集成在中國開始廣泛地應用，國內目前主要開展的是微組裝封裝， SiP、 SoP、 2.5D和3D疊層集成技術研究，并且取得了較大的進展。

我國正從政策和各方條件保障逐步地加大對微系統技術的扶持力度，意在超越摩爾時代使我國集成電路產業走出“低端模仿”，走向以技術創新為主的“高端替代”。

未來發展

未來，在微系統集成方面，將在當前同質2.5D集成的基礎上，快速往3D異質集成（即在同一襯底上實現不同材料、不同工藝的微納器件集成）和3D異構集成（COWOS、Info和Chiplet等）甚至是4D方向發展。為適應電子產品發展趨勢，未來3D SIP應用規模將快速擴大，3D SIP將逐步替代SIP。我國是全球最大的電子產品生產國，芯片制造能力逐步提升，封裝實力不斷增強，未來3D SIP市場空間廣闊。

時至今日，國家也非常注重此方面的發展，國家科技部先后組織了“攀登計劃”“微電子機械系統”、國家重點基礎研究發展規劃“集成微光機電系統研究”和“863”重大專項等。

長運通相信

隨著先進封裝技術的不斷發展

集成電路芯片與集成電路封裝之間的界限

會日漸模糊

形成共融發展的新態勢

微系統集成技術的發展也會為電子產品的性能

帶來許多顛覆性的進步

未來長運通也將實現Si3P智能微集成包括電源+（電機驅動、數字隔離器等多功能微集成）等等更高集成，將實現提頻、高效、可智能、可通訊、可編程、可控制等等。把握后摩爾時代戰略機遇，推動其在高端裝備、汽車電子和健康醫療等領域的應用和全產業鏈發展，在Si3P微系統集成細分領域，努力實現從“并跑”到“領跑”的跨越。

審核編輯：湯梓紅