本文将重点介绍专门针对射频(RF)应用开发SiP建置的关键优势，以及像Insight SiP等封测业者如何透过Full-Turnkey设计服务以及运用自己先进的封装设计方法，协助客户取得成功。
RF系统整合采用SiP途径已经成为微型化发展蓝图的关键。尽管在单个芯片中整合越来越多的功能(SoC的概念)是一种长期趋势，但小型个人装置复杂度永无止境的增加，持续推动人们使用SiP实现完整的系统。RF SiP可以使用多种技术实现，让每家制造供应商都有自己特殊的方面；因此，SiP建置必须根据不同的材料、实体沉积和特性量身打造，以适应特定的设计规则。
不管采用哪一种封装/组装技术，如有机基板(BT、FR4…)、多层陶瓷基板(LTCC、HTCC、厚膜…)、线键合、覆晶芯片，还是硅或玻璃上的薄膜整合被动元件(IPD)等等，设计公司合作伙伴结合其RF专业知识以及在封装中嵌入各种功能的独特能力十分重要。
图1和图2显示Insight SiP开发的两款SiP产品案例。
图1：RF SiP范例
图2：物联网穿戴式SiP范例
在RF SiP上增加超小型天线，形成所谓的「内建天线封装」产品(AiP)，这一直是先进技术开发(ATD)的基础。这种技术已经成功导入低功耗蓝牙(BLE)和超宽频(UWB)应用的无线产品中了。
SiP途径克服当今挑战
随着嵌入越来越複杂功能的消费电子产品大规模普及，新装置满足低功耗、更小长宽比要求，同时保持成本竞争力非常重要。
因此，工程师和产品开发团队面临着多方面的挑战：
- 从65nm CMOS技术节点后，持续缩小节点不再必然降低每个电晶体成本
- SoC开发时间、非重复性工程成本(NRE)与故障风险随着每代节点发展而不断攀升(Gartner指出7nm较28nm所需的NRE更高达9倍)
- 高成长的市场(物联网、汽车…)要求在较小空间中以更高成本效益地整合不同功能(存储器、MCU、GPU、模拟器件、RF、MEMS、CIS…)
- 更低功耗取代更快速度成为最重要的IC特性
- 元件需要透过现有的RF协议(如蜂巢式技术)或新兴的网络(如LoRa、SigFox、LTE-M、NB-IoT等LPWAN)，实现无线连接
透过SiP方法将有助于满足这些典型要求，因为：
- 其系统划分提供了超越摩尔定律(More-than-Moore)的能力
- SiP的模组化简化在数位SoC增加异质功能
- 相较于独立安装多个封装裸晶至印刷电路板(PCB)，在一个IC封装中结合多颗裸晶，可以使功耗降低3到10倍
- 多芯片IC设计和制造流程不断成熟，降低了NRE并缩短开发时间，使得SiP对中小量产规模也有不错的经济性
- 已经发布许多基于中介层IC产品的IDM和无晶圆厂IC供应商如今正加速量产，而一些2.5D-IC设计也正开发中
- 诸如台积电(TSMC)等大型开放式代工厂也在自家的多芯片封装线上投入了巨资，而大多数的大型OSAT公司也已在开发中并提供WLP解决方案
- 设备和材料供应商也大力投入，以改善良率、吞吐量、品质与可靠度，从而降低多裸晶IC封装成本
- 多家EDA供应商提供友善用户的建模与设计工具，能儘可能地缩短开发时间、降低风险，还能降低多裸片IC的单价
根据TechSearch International的统计，2015年出货的SiP产品达133亿个，其中约有70%是RF和连接模组，如图3。
图3：2015年SiP市场占有率(以元件类型计)
当今的高性能半导体应用(绘图、运算与联网)主要受限于频宽和功耗。三星(Samsung)、IBM、英特尔(Intel)、海思(HiSilicon)、Nvidia等公司已经展示在中介层上以堆叠或并排方式整合多个裸晶的优点。相较于在PCB上安装单独的IC，非常短的裸晶到裸晶连接以及非常宽的汇流排，能够显着提高性能，同时降低功耗。
目前成长最快速的半导体机会(移动设备、汽车和物联网节点)需要众多不同的功能，才能与周边环境发生互动。在单个SiP中整合多个不同的裸晶和传感器，能够满足对于空间、功耗和成本的约束要求。
下图显示通讯市场的成长有多么迅速，以及相关应用需要多少异质功能，同时维持低成本与低功耗。
图4：异质功能市场占有率(以系统类型计)
先进设计方法实现无缝整合
为了满足RF和消费类SiP产品的快速成长要求，Insight SiP公司开发出一种专有的先进设计方法，将电磁模拟(3D EM)与电路级模拟与最佳化结合在一起。在建立第一个原型之前执行详尽的前端电磁模拟，可以减少工程样品重覆的次数；进而有助于最终使用者节省成本，以及缩短产品的上市时间。
图5总结了这种先进的设计流程。这种方法结合使用电路和电磁模拟工具来创建设计，从基本的原理图逐步过渡到完整的3D布局电磁。只有在完整的布局完全进行模拟后才开始制造；2.5D或3D电磁模拟用于被动元件整合(层压、LTCC、IPD)，谐波平衡或Spice建模则用于主动电路。
图5：Insight SiP独特的设计方法
图6显示了完整的设计流程，从初始原理图的电路模拟到经过完全模拟与测试布局。
图6：设计流程原理图到测试布局
图7显示使用专门方法的RF SiP范例。这是为智能手机应用开发的产品，历时6个月(从设计到功能样机)。其中包含一个GPS收发器IC、一个数字基频IC以及和一些被动元件(6×4mm，VFPGA封装)。
图7：GPS SiP范例
对于内建天线封装(AiP)设计来说，这种基于扩展3D电磁模拟的设计流程可以让设计人员以辐射、增益、效率和覆盖范围各方面评估最佳的天线性能。这是RF调谐第一批工程样品期间最佳化工作的关键。以下显示典型的模拟输出结果。
图8：模拟取得的天线性能评估
利用多芯片SiP与先进封装的优点
本文描述的所有SiP或多芯片模组(MCM)优点都是与安装在PCB上的单裸晶SoC进行比较的结果，后者使用最为广泛的制造工艺。除了近来晶圆和面板级工艺的成本持续下降，多裸晶IC的设计和制造生态系统快速成熟，也催生了高价值的解决方案。
在寻找并确认合适的SiP设计公司合作伙伴时，工业化和生产支持是关键因素。例如，Insight SiP等公司能为每种SiP制造技术与封装建立设计规则，因而可为每一项定制计划选择最高效的工艺与生产组合。
特别是对复杂的RF系统来说，与不同的?外封测业者(OSAT)制造合作伙伴保持密切的关系非常重要，例如，Insight SiP已经与Amkor、AT&S、Tong-Hsing、Kyocera、 SPIL…等主要供应商建立了强大的合作关系。这是在工业化过程中确保生产供应安全以及改善良率的关键优势(例如在量产阶段中的RF/天线调谐)。
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