微系統中系統微系統是指什麼超越摩爾之路sip，你真的瞭解嗎？
宏系統中系統微系統是指什麼
超越摩爾之路——SiP簡介
SiP（System-in-Package） 系統級封裝技術將多個具有不同功能的有源電子元件（通常是IC裸晶片）與可選無源器件，以及諸如MEMS或者光學器件等其它器件優先組裝到一個封裝體內部，實現一定功能的單個標準封裝器件，形成一個系統或者子系統，通常可稱之為微系統（Micro-System）。
從架構上來講，SiP是將多種功能晶片，包括處理器、儲存器等功能晶片整合在一個封裝內，從而實現一個基本完整的系統功能。與SOC（片上系統）相對應，不同的是SiP系統級封裝是採用不同晶片進行並排或疊加的封裝方式，而SOC則是高度整合的晶片產品。
More Moore VS More than Moore——SoC與SiP之比較
SiP是超越摩爾定律下的重要實現路徑。
眾所周知的摩爾定律發展到現階段，何去何從？行業內有兩條路徑：一是繼續按照摩爾定律往下發展，走這條路徑的產品有CPU、記憶體、邏輯器件等，這些產品佔整個市場的50%。另外就是超越摩爾定律的More than Moore路線，晶片發展從一味追求功耗下降及效能提升方面，轉向更加務實的滿足市場的需求。這方面的產品包括了模擬/RF器件，無源器件、電源管理器件等，大約佔到了剩下的那50%市場。
針對這兩條路徑，分別誕生了兩種產品：SoC與SiP。SoC是摩爾定律繼續往下走下的產物，而SiP則是實現超越摩爾定律的重要路徑。兩者都是實現在晶片層面上實現小型化和微型化系統的產物。
SiP與SoC極為相似，兩者均將一個包含邏輯元件、記憶體元件，甚至包含被動元件的系統，整合在一個單位中。SoC是從設計的角度出發，是將系統所需的元件高度整合到一塊晶片上。SiP是從封裝的立場出發，對不同晶片進行並排或疊加的封裝方式，將多個具有不同功能的有源電子元件與可選無源器件，以及諸如MEMS或者光學器件等其他器件優先組裝到一起，實現一定功能的單個標準封裝件。
從整合度而言，一般情況下，SoC只整合AP之類的邏輯系統，而SiP集成了AP+mobile DDR，某種程度上說SiP=SoC+DDR，隨著整合度越來越高，emmc等也會整合到SiP中。
從封裝發展的角度來看，因電子產品在體積、處理速度或電性特性各方面的需求考量下，SoC曾經被確立為未來電子產品設計的關鍵與發展方向。但隨著近年來SoC生產成本越來越高，頻頻遭遇技術障礙，造成SoC的發展面臨瓶頸，進而使SiP的發展越來越被業界重視。
SiP——超越摩爾定律的必然選擇
摩爾定律確保了晶片效能的不斷提升。眾所周知，摩爾定律是半導體行業發展的“聖經”。在矽基半導體上，每18個月實現電晶體的特徵尺寸縮小一半，效能提升一倍。在效能提升的同時，帶來成本的下降，這使得半導體廠商有足夠的動力去實現半導體特徵尺寸的縮小。這其中，處理器晶片和儲存晶片是最遵從摩爾定律的兩類晶片。以Intel為例，每一代的產品完美地遵循摩爾定律。在晶片層面上，摩爾定律促進了效能的不斷往前推進。
相對於半導體器件，系統實現的重要載體PCB板並不遵從摩爾定律，是整個系統性能提升的瓶頸。與晶片規模不斷縮小相對應的是，PCB板這些年並沒有發生太大變化。舉例而言，PCB主機板的標準最小線寬從十年前就是3 mil（大約75 um），到今天還是3 mil，幾乎沒有進步。畢竟，PCB並不遵從摩爾定律。因為PCB的限制，使得整個系統的效能提升遇到了瓶頸。比如，由於PCB線寬都沒變化，所以處理器和記憶體之間的連線密度也保持不變。換句話說，在處理器和記憶體封裝大小不大變的情況下，處理器和記憶體之間的連線數量不會顯著變化。而記憶體的頻寬等於記憶體介面位寬乘以記憶體介面操作頻率。記憶體輸出位寬等於處理器和記憶體之間的連線數量，在十年間受到PCB板工藝的限制一直是64bit沒有發生變化。所以想提升記憶體頻寬只有提高記憶體介面操作頻率。這就限制了整個系統的效能提升。
SiP是解決系統桎梏的勝負手。把多個半導體晶片和無源器件封裝在同一個晶片封裝內，組成一個系統級的晶片，而不再用PCB板來作為承載晶片連線之間的載體，可以解決因為PCB自身的先天不足帶來系統性能遇到瓶頸的問題。以處理器和儲存晶片舉例，因為系統級封裝內部走線的密度可以遠高於PCB走線密度，從而解決PCB線寬頻來的系統瓶頸。舉例而言，因為儲存器晶片和處理器晶片可以透過TSV等方式連線在一起，不再受PCB線寬的限制，從而可以實現資料頻寬在介面頻寬上的提升。
需要注意的是，SiP不僅是簡單地將晶片整合在一起，需要根據系統的需要進行合理的裁剪和設計，採用不同的結構和工藝來實現。另外，SiP還具有開發週期短；功能更多；功耗更低，效能更優良、成本價格更低，體積更小，質量更輕等優點，總結如下：
SiP工藝介紹
SIP 封裝製程按照晶片與基板的連線方式可分為引線鍵合封裝和倒裝焊兩種。
引線鍵合工藝
引線鍵合封裝工藝主要流程如下：
圓片——圓片減薄——圓片切割——晶片粘結——引線鍵合——等離子清洗——密封劑灌封——裝配焊料球——迴流焊——表面打標——切割分離——最終檢查——測試包裝。
1.圓片減薄
圓片減薄是指從圓片背面採用機械或化學機械（CMP）方式進行研磨，將圓片減薄到適合封裝的程度。由於圓片的尺寸越來越大，為了增加圓片的機械強度，防止在加工過程中發生變形、開裂，其厚度也一直在增加。但是隨著系統朝輕薄短小的方向發展，晶片封裝後模組的厚度變得越來越薄，因此在封裝之前一定要將圓片的厚度減薄到可以接受的程度，以滿足晶片裝配的要求。
2.圓片切割
圓片減薄後，可以進行劃片。較老式的劃片機是手動操作的，現在一般的劃片機都已實現全自動化。無論是部分劃線還是完全分割矽片，目前均採用鋸刀，因為它劃出的邊緣整齊，很少有碎屑和裂口產生。
3.晶片粘結
已切割下來的晶片要貼裝到框架的中間焊盤上。焊盤的尺寸要和晶片大小相匹配，若焊盤尺寸太大，則會導致引線跨度太大，在轉移成型過程中會由於流動產生的應力而造成引線彎曲及晶片位移現象。貼裝的方式可以是用軟焊料（指 Pb-Sn 合金，尤其是含 Sn 的合金）、Au-Si 低共熔合金等焊接到基板上，在塑膠封裝中最常用的方法是使用聚合物粘結劑貼上到金屬框架上。
4.引線鍵合
在塑膠封裝中使用的引線主要是金線，其直徑一般為0。025mm~0。032mm。引線的長度常在1。5mm~3mm之間，而弧圈的高度可比晶片所在平面高 0。75mm。
鍵合技術有熱壓焊、熱超聲焊等。這些技術優點是容易形成球形（即焊球技術），並防止金線氧化。為了降低成本，也在研究用其他金屬絲，如鋁、銅、銀、鈀等來替代金絲鍵合。熱壓焊的條件是兩種金屬表面緊緊接觸，控制時間、溫度、壓力，使得兩種金屬發生連線。表面粗糙（不平整）、有氧化層形成或是有化學沾汙、吸潮等都會影響到鍵合效果，降低鍵合強度。熱壓焊的溫度在 300℃~400℃，時間一般為 40ms（通常，加上尋找鍵合位置等程式，鍵合速度是每秒二線）。超聲焊的優點是可避免高溫，因為它用20kHz~60kHz的超聲振動提供焊接所需的能量，所以焊接溫度可以降低一些。將熱和超聲能量同時用於鍵合，就是所謂的熱超聲焊。與熱壓焊相比，熱超聲焊最大的優點是將鍵合溫度從 350℃降到250℃左右（也有人認為可以用100℃~150℃的條件），這可以大大降低在鋁焊盤上形成 Au-Al 金屬間化合物的可能性，延長器件壽命，同時降低了電路引數的漂移。在引線鍵合方面的改進主要是因為需要越來越薄的封裝，有些超薄封裝的厚度僅有0。4mm 左右。所以引線環（loop）從一般的200 μ m~300 μ m減小到100μm~125μm，這樣引線張力就很大，繃得很緊。另外，在基片上的引線焊盤外圍通常有兩條環狀電源 / 地線，鍵合時要防止金線與其短路，其最小間隙必須>625 μ m，要求鍵合引線必須具有高的線性度和良好的弧形。
5.等離子清洗
清洗的重要作用之一是提高膜的附著力，如在Si 襯底上沉積 Au 膜，經 Ar 等離子體處理掉表面的碳氫化合物和其他汙染物，明顯改善了 Au 的附著力。等離子體處理後的基體表面，會留下一層含氟化物的灰色物質，可用溶液去掉。同時清洗也有利於改善表面黏著性和潤溼性。
6.密封劑灌封
將已貼裝好晶片並完成引線鍵合的框架帶置於模具中，將塑封料的預成型塊在預熱爐中加熱（預熱溫度在 90℃~95℃之間），然後放進轉移成型機的轉移罐中。在轉移成型活塞的壓力之下，塑封料被擠壓到澆道中，並經過澆口注入模腔（在整個過程中，模具溫度保持在 170℃~175℃左右）。塑封料在模具中快速固化，經過一段時間的保壓，使得模組達到一定的硬度，然後用頂杆頂出模組，成型過程就完成了。對於大多數塑封料來說，在模具中保壓幾分鐘後，模組的硬度足可以達到允許頂出的程度，但是聚合物的固化（聚合）並未全部完成。由於材料的聚合度（固化程度）強烈影響材料的玻璃化轉變溫度及熱應力，所以促使材料全部固化以達到一個穩定的狀態，對於提高器件可靠性是十分重要的，後固化就是為了提高塑封料的聚合度而必需的工藝步驟，一般後固化條件為 170℃~175℃，2h~4h。
7.裝配焊料球
目前業內採用的植球方法有兩種：“錫膏”+“錫球”和“助焊膏”+ “錫球”。“錫膏”+“錫球”植球方法是業界公認的最好標準的植球法，用這種方法植出的球焊接性好、光澤好，熔錫過程不會出現焊球偏置現象，較易控制，具體做法就是先把錫膏印刷到 BGA 的焊盤上，再用植球機或絲網印刷在上面加上一定大小的錫球，這時錫膏起的作用就是粘住錫球，並在加溫的時候讓錫球的接觸面更大，使錫球的受熱更快更全面，使錫球熔錫後與焊盤焊接性更好並減少虛焊的可能。
8.表面打標
打標就是在封裝模組的頂表面印上去不掉的、字跡清楚的字母和標識，包括製造商的資訊、國家、器件程式碼等，主要是為了識別並可跟蹤。打碼的方法有多種，其中最常用的是印碼方法，而它又包括油墨印碼和鐳射印碼二種。
9.切割分離
為了提高生產效率和節約材料，大多數 SiP 的組裝工作都是以陣列組合的方式進行，在完成模塑與測試工序以後進行劃分，分割成為單個的器件。劃分分割可以採用鋸開或者衝壓工藝，鋸開工藝靈活性比較強，也不需要多少專用工具，衝壓工藝則生產效率比較高、成本較低，但是需要使用專門的工具。
倒裝焊工藝
和引線鍵合工藝相比較倒裝焊工藝具有以下幾個優點：
（1）倒裝焊技術克服了引線鍵合焊盤中心距極限的問題；
（2）在晶片的電源 /地線分佈設計上給電子設計師提供了更多的便利；
（3）透過縮短互聯長度，減小 RC 延遲，為高頻率、大功率器件提供更完善的訊號；
（4）熱效能優良，晶片背面可安裝散熱器；
（5）可靠性高，由於晶片下填料的作用，使封裝抗疲勞壽命增強；
（6）便於返修。
以下是倒裝焊的工藝流程（與引線鍵合相同的工序部分不再進行單獨說明）：圓片焊盤再分佈——圓片減薄——製作凸點——圓片切割——倒裝鍵合——下填充——包封——配焊料球——迴流焊——表面打標——分離——最終檢查——測試包裝。
1.焊盤再分佈（RDL)
為了增加引線間距並滿足倒裝焊工藝的要求，需要對晶片的引線進行再分佈。
2.製作凸點
焊盤再分佈完成之後，需要在晶片上的焊盤新增凸點，焊料凸點製作技術可採用電鍍法、化學鍍法、蒸發法、置球法和焊膏印刷法。目前仍以電鍍法最為廣泛，其次是焊膏印刷法。
3.倒裝鍵合、下填充
在整個晶片鍵合表面按柵陣形狀佈置好焊料凸點後，晶片以倒扣方式安裝在封裝基板上，透過凸點與基板上的焊盤實現電氣連線，取代了WireBond和TAB 在周邊佈置端子的連線方式。倒裝鍵合完畢後，在晶片與基板間用環氧樹脂進行填充，可以減少施加在凸點上的熱應力和機械應力，比不進行填充的可靠性提高了1到2個數量級。
SiP為系統應用而生
SiP主要應用領域
SiP的應用非常廣泛，主要包括：無線通訊、汽車電子、醫療電子、計算機、軍用電子等。
SiP應用最為廣泛為無線通訊領域。SiP在無線通訊領域的應用最早，也是應用最為廣泛的領域。在無線通訊領域，對於功能傳輸效率、噪聲、體積、重量以及成本等多方面要求越來越高，迫使無線通訊向低成本、行動式、多功能和高效能等方向發展。SiP是理想的解決方案，綜合了現有的芯核資源和半導體生產工藝的優勢，降低成本，縮短上市時間，同時克服了SOC中諸如工藝相容、訊號混合、噪聲干擾、電磁干擾等難度。手機中的射頻功放，集成了頻功放、功率控制及收發轉換開關等功能，完整的在SiP中得到了解決。
汽車車電子是SiP的重要應用場景。汽車電子裡的SiP應用正在逐漸增加。以發動機控制單元（ECU）舉例，ECU由微處理器（CPU）、儲存器（ROM、RAM）、輸入/輸出介面（I/O）、模數轉換器（A/D）以及整形、驅動等大規模積體電路組成。各型別的晶片之間工藝不同，目前較多采用SiP的方式將晶片整合在一起成為完整的控制系統。另外，汽車防抱死系統（ABS）、燃油噴射控制系統、安全氣囊電子系統、方向盤控制系統、輪胎低氣壓報警系統等各個單元，採用SiP的形式也在不斷增多。此外，SiP技術在快速增長的車載辦公系統和娛樂系統中也獲得了成功的應用。
醫療電子需要可靠性和小尺寸相結合，同時兼具功能性和壽命。在該領域的典型應用為可植入式電子醫療器件，比如膠囊式內窺鏡。內窺鏡由光學鏡頭、影象處理晶片、射頻訊號發射器、天線、電池等組成。其中影象處理晶片屬於數字晶片、射頻訊號發射器則為模擬晶片、天線則為無源器件。將這些器件集中封裝在一個SiP之內，可以完美地解決效能和小型化的要求。
SiP在計算機領域的應用主要來自於將處理器和儲存器整合在一起。以GPU舉例，通常包括圖形計算晶片和SDRAM。而兩者的封裝方式並不相同。圖形計算方面都採用標準的塑封焊球陣列多晶片元件方式封裝，而這種方式對於SDRAM並不適合。因此需要將兩種型別的晶片分別封裝之後，再以SiP的形式封裝在一起。
SiP在其他消費類電子中也有很多應用。這其中包括了ISP（影象處理晶片）、藍芽晶片等。ISP是數碼相機、掃描器、攝像頭、玩具等電子產品的核心器件，其透過光電轉換，將光學訊號轉換成數字訊號，然後實現影象的處理、顯示和儲存。影象感測器包括一系列不同型別的元器件，如CCD、COMS影象感測器、接觸影象感測器、電荷載入器件、光學二極體陣列、非晶矽感測器等，SiP技術無疑是一種理想的封裝技術解決方案。
航空航天、軍工等領域電子產品具有高效能、小型化、多品種和小批次等特點，SiP技術順應了軍事電子的應用需求，因此在這一技術領域具有廣泛的應用市場和發展前景。SiP產品涉及衛星、運載火箭、飛機、導彈、雷達、巨型計算機等軍事裝備。
SiP——為智慧手機量身定製
手機輕薄化帶來SiP需求增長。手機是SiP封裝最大的市場。隨著智慧手機越做越輕薄，對於SiP的需求自然水漲船高。各個品牌的手機厚度都在不斷縮減。輕薄化對組裝部件的厚度自然有越來越高的要求。以iPhone 為例，已大幅縮減PCB的使用量，很多晶片元件都會做到SiP模組裡，而到了iPhone8，可能是蘋果第一款全機採用SiP的手機。這意味著，一方面手機可以做得更加輕薄，另一方面會有更多的空間容納其他功能模組，比如說更強大的攝像頭、揚聲器，以及電池。
從蘋果產品看SiP應用。蘋果是堅定看好SiP應用的公司，蘋果在之前Apple Watch上就已經使用了SiP封裝。
除了手錶以外，蘋果手機中使用SiP的顆數也在逐漸增多。列舉有：觸控晶片，指紋識別晶片，RFPA等。
觸控晶片。3D Touch的出現，對觸控模組的處理能力和效能提出了更高的要求，其複雜結構要求觸控晶片採用SiP組裝，觸覺反饋功能加強其操作友好性。
指紋識別同樣採用了SiP封裝。將感測器和控制晶片封裝在一起，從iPhone 5開始，就採取了相類似的技術。
RFPA模組。手機中的RFPA是最常用SiP形式的。iPhone 6S也同樣不例外，在iPhone 6S中，有多顆RFPA晶片
按照蘋果的習慣，所有應用成熟的技術會傳給下一代，我們判斷，即將問世的蘋果手機會更全面，更多程度的利用SiP技術，來實現內部空間的壓縮。
不止是蘋果，國內智慧手機廠商也會迅速跟進採用SiP技術。此外，滲透率提升不單是採用SiP的智慧手機會增多，在智慧手機中使用的SiP的顆數也會增加。兩個效應疊加驅使SiP的增量市場迅速擴大。
從製造到封測——逐漸融合的SiP產業鏈
從產業鏈的變革、產業格局的變化來看，今後電子產業鏈將不再只是傳統的垂直式鏈條：終端裝置廠商——IC設計公司——封測廠商、Foundry廠、IP設計公司，產品的設計將同時調動封裝廠商、基板廠商、材料廠、IC設計公司、系統廠商、Foundry廠、器件廠商（如TDK、村田）、儲存大廠（如三星）等彼此交叉協作，共同實現產業升級。
未來系統將帶動封裝業進一步發展，反之高階封裝也將推動系統終端繁榮。未來系統廠商與封裝廠的直接對接將會越來越多，而IC設計公司則將可能向IP設計或者直接出售晶圓兩個方向去發展。
近年來，部分晶圓代工廠也在客戶一次購足的服務需求下（Turnkey Service），開始擴充套件業務至下游封測端，以發展SiP等先進封裝技術來打造一條龍服務模式，滿足上游IC設計廠或系統廠。
然而，晶圓代工廠發展SiP等先進封裝技術，與現有封測廠商間將形成微妙的競合關係。首先，晶圓代工廠基於晶圓製程優勢，擁有發展晶圓級封裝技術的基本條件，跨入門檻並不甚高。因此，晶圓代工廠可依產品應用趨勢與上游客戶需求，在完成晶圓代工相關製程後，持續朝晶圓級封裝等後段領域邁進，以完成客戶整體需求目標。這對現有封測廠商來說，可能形成一定程度的競爭。
由於封測廠幾乎難以向上遊跨足晶圓代工領域，而晶圓代工廠卻能基於製程技術優勢跨足下游封測代工，尤其是在高階SiP領域方面；因此，晶圓代工廠跨入SiP封裝業務，將與封測廠從單純上下游合作關係，轉向微妙的競合關係。
封測廠一方面可朝差異化發展以區隔市場，另一方面也可選擇與晶圓代工廠進行技術合作，或是以技術授權等方式，搭配封測廠龐大的產能基礎進行接單量產，共同擴大市場。此外，晶圓代工廠所發展的高階異質封裝，其部份製程步驟仍須專業封測廠以現有技術協助完成，因此雙方仍有合作立基點。
總結：
SiP代表了行業發展方向。晶片發展從一味追求功耗下降及效能提升（摩爾定律），轉向更加務實的滿足市場的需求（超越摩爾定律），SiP是實現的重要路徑。SiP從終端電子產品角度出發，不是一味關注晶片本身的效能/功耗，而是實現整個終端電子產品的輕薄短小、多功能、低功耗，在行動裝置與穿戴裝置等輕巧型產品興起後，SiP需求日益顯現。
注：本文主要內容來自網路，進行了部分編輯和修改。
