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超越摩尔,一文看懂SiP封装技术<一>

根据国际半导体路线组织(ITRS)的定义:SiP为将多个具有不同功能的有源电子元件与可选无源器件,以及诸如MEMS或者光学器件等其他器件优先组装到一起,实现一定功能的单个标准封装件,形成一个系统或者子系统。

从架构上来讲,SiP是将多种功能芯片,包括处理器、存储器等功能芯片集成在一个封装内,从而实现一个基本完整的功能。与SOC(片上系统)相对应。不同的是系统级封装是采用不同芯片进行并排或叠加的封装方式,而SOC则是高度集成的芯片产品。1.1. More Moore VS More than Moore——SoC与SiP之比较

SiP是超越摩尔定律下的重要实现路径。众所周知的摩尔定律发展到现阶段,何去何从?行业内有两条路径:一是继续按照摩尔定律往下发展,走这条路径的产品有CPU、内存、逻辑器件等,这些产品占整个市场的50%。另外就是超越摩尔定律的More than Moore路线,芯片发展从一味追求功耗下降及性能提升方面,转向更加务实的满足市场的需求。这方面的产品包括了模拟/RF器件,无源器件、电源管理器件等,大约占到了剩下的那50%市场。

针对这两条路径,分别诞生了两种产品:SoC与SiP。SoC是摩尔定律继续往下走下的产物,而SiP则是实现超越摩尔定律的重要路径。两者都是实现在芯片层面上实现小型化和微型化系统的产物。

SoC与SIP是极为相似,两者均将一个包含逻辑组件、内存组件,甚至包含被动组件的系统,整合在一个单位中。SoC是从设计的角度出发,是将系统所需的组件高度集成到一块芯片上。SiP是从封装的立场出发,对不同芯片进行并排或叠加的封装方式,将多个具有不同功能的有源电子元件与可选无源器件,以及诸如MEMS或者光学器件等其他器件优先组装到一起,实现一定功能的单个标准封装件。

从集成度而言,一般情况下,SoC只集成AP之类的逻辑系统,而SiP集成了AP+mobile  DDR,某种程度上说SIP=SoC+DDR,随着将来集成度越来越高,emmc也很有可能会集成到SiP中。

从封装发展的角度来看,因电子产品在体积、处理速度或电性特性各方面的需求考量下,SoC曾经被确立为未来电子产品设计的关键与发展方向。但随着近年来SoC生产成本越来越高,频频遭遇技术障碍,造成SoC的发展面临瓶颈,进而使SiP的发展越来越被业界重视。

1.2. SiP——超越摩尔定律的必然选择路径

摩尔定律确保了芯片性能的不断提升。众所周知,摩尔定律是半导体行业发展的“圣经”。在硅基半导体上,每18个月实现晶体管的特征尺寸缩小一半,性能提升一倍。在性能提升的同时,带来成本的下降,这使得半导体厂商有足够的动力去实现半导体特征尺寸的缩小。这其中,处理器芯片和存储芯片是最遵从摩尔定律的两类芯片。以Intel为例,每一代的产品完美地遵循摩尔定律。在芯片层面上,摩尔定律促进了性能的不断往前推进。

PCB板并不遵从摩尔定律,是整个系统性能提升的瓶颈。与芯片规模不断缩小相对应的是,PCB板这些年并没有发生太大变化。举例而言,PCB主板的标准最小线宽从十年前就是3 mil(大约75 um),到今天还是3 mil,几乎没有进步。毕竟,PCB并不遵从摩尔定律。因为PCB的限制,使得整个系统的性能提升遇到了瓶颈。比如,由于PCB线宽都没变化,所以处理器和内存之间的连线密度也保持不变。换句话说,在处理器和内存封装大小不大变的情况下,处理器和内存之间的连线数量不会显著变化。而内存的带宽等于内存接口位宽 乘以内存接口操作频率。内存输出位宽等于处理器和内存之间的连线数量,在十年间受到PCB板工艺的限制一直是64bit没有发生变化。所以想提升内存带宽只有提高内存接口操作频率。这就限制了整个系统的性能提升。

SIP是解决系统桎梏的胜负手。把多个半导体芯片和无源器件封装在同一个芯片内,组成一个系统级的芯片,而不再用PCB板来作为承载芯片连接之间的载体,可以解决因为PCB自身的先天不足带来系统性能遇到瓶颈的问题。以处理器和存储芯片举例,因为系统级封装内部走线的密度可以远高于PCB走线密度,从而解决PCB线宽带来的系统瓶颈。举例而言,因为存储器芯片和处理器芯片可以通过穿孔的方式连接在一起,不再受PCB线宽的限制,从而可以实现数据带宽在接口带宽上的提升。

我们认为,SiP不仅是简单地将芯片集成在一起。SiP还具有开发周期短;功能更多;功耗更低,性能更优良、成本价格更低,体积更小,质量更轻等优点,总结如下:

超越摩尔,一文看懂SiP封装技术<二>

· 2019-03-19 14:32  本新闻来源自:中科院微电子研究所,版权归原创方所有

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