什么是系统级封装SIP

关键词：SIP、SOC

1.SIP介绍

SIP（System In Package，系统级封装）为一种封装的概念，它是将多个半导体及一些必要的辅助零件，做成一个相对独立的产品，可以实现某种系统级功能，并封装在一个壳体内。最终以一个零件的形式出现在更高阶的系统级PCBA(Printed Circuit Board Assembly)。

2.SIP与SOC

SOC(System On a Chip，系统级芯片)是将原本不同功能的IC，整合到一颗芯片中，比如在一个芯片中集成数字电路、模拟电路、存储器和接口电路等，以实现图像处理、语言处理、通讯功能和数据处理等多种功能。

SOC与SIP都是将一个包含逻辑组件、内存组件、甚至包含无源组件的系统，整合在一个单位中。区别在于SOC是从设计的角度出发，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，实现一定功能的单个标准封装件。从某种程度上说：SIP=SOC 其他（未能被集成到SOC中的芯片和组件）。

3.SIP类型

从目前业界SIP的设计类型和结构区分，SIP可分为以下几类。

3.1 2D SIP

2D封装是指在基板的表面水平安装所有芯片和无源器件的集成方式。以基板（Substrate）上表面的左下角为原点，基板上表面所处的平面为XY平面，基板法线为Z轴，创建坐标系。2D封装方面包含FOWLP、FOPLP和其他技术。

物理结构：所有芯片和无源器件均安装在基板平面，芯片和无源器件与XY平面直接接触，基板上的布线和过孔位于XY平面下方。

电气连接：均需要通过基板（除了极少数通过键合线直接连接的键合点）。

3.2 2.5D SIP

2.5D本身是一种在客观世界并不存在的维度，因为其集成密度超越了2D，但又达不到3D集成密度，取其折中，因此被称为2.5D。其中的代表技术包括英特尔的EMIB、台积电的CoWos、三星的I-Cube。

在先进封装领域，2.5D是特指采用了中介层（interposer）的集成方式，中介层目前多采用硅材料，利用其成熟的工艺和高密度互连的特性。

物理结构：所有芯片和无源器件均在XY平面上方，至少有部分芯片和无源器件安装在中介层上，在XY平面的上方有中介层的布线和过孔，在XY平面的下方有基板的布线和过孔。

电气连接：中介层可提供位于中介层上芯片的电气连接。

虽然理论上讲，中介层可以有TSV也可以没有TSV，但在进行高密度互连时，TSV几乎是不可或缺的，中介层中的TSV通常被称为2.5D TSV。

硅中介层具有TSV集成方式为2.5D集成技术中最为普遍的方式，芯片一般用MicroBump与中介层连接，硅基板做中介层使用Bump与基板连接，硅基板的表面采用RDL接线，TSV是硅基板上、下表面的电连接通道，该2.5D集成方式适用于芯片尺寸相对较大的场合，当引脚密度较大时，通常采用Flip Chip方式将Die键合到硅基板中。硅中介层有TSV的2.5D集成结构一般如下图所示。

硅中介层无TSV的2.5D集成结构一般如下图所示，有一颗面积较大的裸芯片直接安装在基板上，该芯片和基板的连接可以采用Bond Wire 或者Flip Chip两种方式。大芯片上方由于面积较大，可以安装多个较小的裸芯片，但是小芯片无法直接连接到基板，所以需要插入一块中介层，若干裸芯片安装于中介层之上，中介层具有RDL布线可以从中介层边缘引出芯片信号，再经Bond Wire 与基板相连。这种中介层一般无需TSV，仅需在interposer的上层布线来实现电气互连，interposer采用Bond Wire和封装基板连接。

3.3 3D SIP

3D封装和2.5D封装的主要区别在于：2.5D封装是在Interposer上进行布线和打孔，而3D封装是直接在芯片上打孔和布线，电气连接上下层芯片。3D集成目前在很大程度上特指通过3D TSV的集成。

物理结构：所有芯片及无源器件都位于XY平面之上且芯片相互叠合，XY平面之上设有贯穿芯片的TSV，XY平面之下设有基板布线及过孔。

电气连接：芯片采用TSV与RDL直接电连接。

3D集成多适用于同类型芯片堆叠，将若干同类型芯片竖直叠放，并由贯穿芯片叠放的TSV相互连接而成，见下图。类似的芯片集成多用于存储器集成，如DRAM Stack和FLASH Stack。

不同类别芯片进行3D集成时，通常会把两个不同芯片竖直叠放起来，通过TSV进行电气连接，与下面基板相互连接，有时还需在其表面做RDL，实现上下TSV连接。

3.4 4D SIP

4D集成定义主要是关于多块基板的方位和相互连接方式，因此在4D集成也会包含2D，2.5D，3D的集成方式。

物理结构：多块基板采用非平行的方式进行安装，且每一块基板上均设有元器件，元器件的安装方式具有多样性。

电气连接：基板间采用柔性电路或焊接的方式相连，基板中芯片的电气连接多样化。

参考文献：

1.IC设计er：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/578972781

2.金鉴实验室：
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1757763827982653950&wfr=spider&for=pc

3.芯片设计入门：
https://blog.csdn.net/qq_46675545/article/details/128053478

4.芯榜科技：
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1741785411559015534&wfr=spider&for=pc