1.1 从Package到SiP的发展

Package，常译为封装，通常是指单片IC在从晶圆上切割下来后的保护性外壳及相关附件，主要用于保护硅片。因为硅芯片非常的脆弱，即使是非常细小的灰尘或者水滴都可以破坏它们的功能，所以需要将IC芯片封装来进行保护。封装的另外一个功能也是为了进行尺度的放大，因为芯片本身通常很小，通过封装后尺度放大，便于后续PCB板级系统使用。封装的第三个功能是电气连接，通过封装，芯片和外界进行信息的交换。

封装产品按工艺或材料通常分为：塑料封装、陶瓷封装和金属封装几种类型。

塑料封装通常称为塑封，主要应用于商业级产品，具有低成本优势，但在芯片散热、稳定性、气密性方面相对较差。

陶瓷封装和金属封装则多用于工业级产品以及航空航天、军工等领域，其散热优良，气密性好、可靠性高。同时，陶瓷和金属封装具有可拆解的优势，便于故障查找和问题“归零”。图1-1所示为三种不同工艺材料的封装。

封装形式一般包括DIP、QFP、BGA等。随着工艺水平的提高，封装技术发展得很快，从DIP→QFP→BGA→CSP的方向快速发展。封装密度越来越高，规模越来越大，引脚数目快速增长，单芯片封装已经不能满足系统设计的要求，封装产品也逐渐地由小规模、单片芯片封装向大规模、多芯片封装的方向发展。

多芯片封装已经受到了越来越多的关注，其中最受关注的便是SiP。

SiP（System in Package）系统级封装，顾名思义，是指在一个封装体中集成一个系统。通常，这个系统需要封装多个芯片并能够独立完成特定的任务，如集成了CPU、DRAM、Flash等多个IC芯片的SiP系统级封装。目前，随着技术的发展，SiP已逐渐向以3D芯片堆叠的封装形式发展。

多芯片封装并不是一个新的概念，多芯片模块MCM技术已经流行多年，在军工和航空航天等领域得到了广泛的应用。

MCM（Multi Chip Moudle）多芯片模块，也是一种封装形式，相对于SiP, MCM通常采用的芯片规模比较小，其能够完成的功能也比较单一，芯片布局上采用2D平面化布局形式。

MCM所采用的裸芯片通常功能单一、规模较小，而且MCM采用的都是2D平面化封装，这也造成了MCM功能不容易提升，体积难以缩小的劣势。

SiP结合了MCM多芯片模块和大规模IC封装两者的优势进化而成。

SiP封装具体表现为大规模、多芯片、3D立体化封装，其3D立体化主要表现在芯片堆叠和基板腔体两个方面，图1-2显示了从IC Package、MCM进化到SiP的过程。

SiP技术发展带来的又一新的趋势是传统上通常是由IC芯片厂商考虑的封装逐渐转变为由用户来选择封装形式，进行封装设计。而以往的做法通常是芯片厂商把芯片封装好后再交付给用户。

现在，随着SiP技术的快速发展，基于小型化、低功耗的设计要求，越来越多的系统用户希望能够获得裸芯片，在裸芯片的基础上进行系统设计和封装。随之而来的是市场上裸芯片的需求也会大大增加，越来越多的系统设计者通过多方途径咨询如何能够获取裸芯片。随着这种需求的不断增长，传统的芯片代理商也会不断拓展其裸芯片业务，以满足市场增长的需求。在需求量没有达到一定数量的情况下，通常采用订货的方式从IC厂商获取裸芯片，这会带来一些时间上的延迟。所以对于SiP设计者来说，在设计的初期，就应该充分考虑订货渠道和订货周期。当市场需求的数量达到一定级别并且能有持续需求时，裸芯片代理商会考虑增加存货量以满足用户不时之需。

裸芯片市场的发展成熟，是由SiP技术快速发展的需求推动的。反过来，裸芯片市场的发展又推动了SiP技术的快速应用和普及。

由于SiP封装的设计会逐渐由IC芯片厂商转为系统用户，而系统用户最关注的是系统的设计，所以封装设计和系统设计的协同也会因此变得越来越重要。封装设计本身也会成为系统设计中关键的一环，需要在统一的平台下实现整个系统的功能。图1-3所示为IC裸芯片、SiP封装及PCB板级系统三者的关系。

SiP受到了多方面的关注，这些关注既来源于传统封装Package设计者，也来源于传统的MCM设计者，更多地来源于传统的PCB设计者，参看图1-4。

对于传统封装和MCM的设计者来说，SiP增强了产品的功能，提高了产品的性能，使得封装和MCM产品的适应性更广泛。

对于传统的PCB设计者来说，目前PCB系统除了向高性能、高速率、多功能的方向发展外，另一个重要的发展方向就是高密度、小型化和低功耗。

针对高性能、高速率、多功能的设计需求，设计者越来越关注信号完整性、电源完整性、串扰、EMC及系统功能等方面的仿真和验证。通常的解决方案是采用仿真工具来协助设计，常用的仿真工具有HyperLynx SI/PI、Quiet Expert、HyperLynx Analog等。

针对高密度、小型化和低功耗的设计需求，设计者需要采用更小的线宽和线间距等设计规则，采用更小的电阻、电容等无源元件，采用HDI（High Density Interconection）高密度互连技术，盲埋孔布线技术等。而且，在设计软件和生产工艺的支持下，采用将大量的无源元件嵌入到层叠中的EP（Embedded Passive）的技术，采用将未经封装的裸芯片直接安装在电路板上的COB（Chip On Board）技术等。这些技术的应用和逐渐成熟使得PCB系统设计者开始关注一项新的技术，这项新技术是上面这些技术应用的集大成者，这就是SiP系统级封装技术。比较而言，实现和PCB同样的功能，SiP只需要原有PCB面积的10%～20%，功耗的40%左右，参看图1-5。