SoC與SiP各有千秋 兩者之爭(zhēng)仍將繼續(xù)

對(duì)生命周期相對(duì)較長(zhǎng)的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，SoC將繼續(xù)作為許多產(chǎn)品的核心；而若對(duì)產(chǎn)品開發(fā)周期要求高、生命周期短、面積小、靈活性較高，則應(yīng)使用SiP。

現(xiàn)代集成技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了過(guò)去40年中一直以摩爾定律發(fā)展的CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)工藝。人們正在為低成本無(wú)源元件集成和MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))傳感器、開關(guān)和振蕩器等電器元件開發(fā)新的基于硅晶的技術(shù)。這意味著與集成到傳統(tǒng)CMOS芯片相比，可以把更多的功能放到SiP封裝(系統(tǒng)級(jí)封裝)中，這些新技術(shù)并不會(huì)替代CMOS芯片，而只是作為補(bǔ)充。

如果沒(méi)有足夠的理由使用SiP，SoC將繼續(xù)作為許多產(chǎn)品的核心，尤其是對(duì)生命周期相對(duì)較長(zhǎng)的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)。若對(duì)產(chǎn)品開發(fā)周期要求高、生命周期短、面積小、靈活性較高，則應(yīng)使用SiP。SiP的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是那些采用高級(jí)CMOS不能簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)所需功能的產(chǎn)品，如MEMS和傳感器應(yīng)用，以及要求有完整的系統(tǒng)解決方案的產(chǎn)品。

SiP縮短產(chǎn)品開發(fā)周期

在國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖(ITRS)的推動(dòng)下，摩爾定律的預(yù)言一再地被半導(dǎo)體行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步所印證，而CMOS工藝則一直是實(shí)現(xiàn)芯片晶體管時(shí)密度最高、成本最低的半導(dǎo)體工藝。如果產(chǎn)品能用CMOS工藝來(lái)制造，而且設(shè)計(jì)速度足夠快，能夠滿足產(chǎn)品開發(fā)周期期限并實(shí)現(xiàn)大批量銷售，那么系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)幾乎總是最便宜、體積最小的解決方案。

例如，65nmCMOS工藝能將80萬(wàn)門電路封裝到1mm 2的芯片上，45nm CMOS工藝則已經(jīng)把160萬(wàn)門電路封裝到1mm 2的芯片上。在成本方面，先進(jìn)的 CMOSSoC，如NXP為汽車無(wú)線電或數(shù)字電視處理器開發(fā)的數(shù)字信號(hào)處理集成電路，實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)的多媒體功能，價(jià)格卻只有幾美元。

此外，CMOS不再局限于數(shù)字系統(tǒng)。最新的CMOSIP(半導(dǎo)體知識(shí)產(chǎn)權(quán))庫(kù)提供了廣泛的系列模擬信號(hào)和混合信號(hào)功能，另外還將提供RF(射頻)功能，可以把完整的RF功能集成到SoC中。

除其他因素外，數(shù)字功能、模擬功能、RF功能和存儲(chǔ)功能是否集成到SoC中很大程度上取決于市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的要求。在日新月異的移動(dòng)通信市場(chǎng)中，產(chǎn)品周期短，滿足產(chǎn)品開發(fā)周期至關(guān)重要。

在理想情況下，客戶青睞于真正的即插即用元件，這些元件能得到可復(fù)制的參考設(shè)計(jì)支持，這使得SiP解決方案非常流行。根據(jù)客戶的需要，客戶只要改變一個(gè)或幾個(gè)IC(集成電路)芯片，其他IC保持不變，就可以實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品。

如果要追求更低的成本，當(dāng)然也可以把這些單個(gè)的IC芯片集成到SoC中，但這需要時(shí)間。將若干單獨(dú)的芯片封裝在一起，不僅提供了靈活性，而且降低了基板面積，因?yàn)樾酒梢詫盈B在一起。這些功能在移動(dòng)通信市場(chǎng)中具有重要意義。

例如，NXPNFC(近距離無(wú)線通訊技術(shù))PN65N就是移動(dòng)通信產(chǎn)品中使用的一種SiP。一個(gè)NFC控制器集成電路和一個(gè)安全控制器集成電路層疊在一起，中間有一個(gè)硅晶墊圈。之所以選擇SiP，是基于產(chǎn)品開發(fā)周期、靈活性和降低面積等因素考慮。在家庭市場(chǎng)和汽車市場(chǎng)中，產(chǎn)品生命周期和設(shè)計(jì)周期比較長(zhǎng)，許多產(chǎn)品使用SoC。大型SoC可能需要幾個(gè)月的設(shè)計(jì)工時(shí)。但是，如果市場(chǎng)足夠大，壽命足夠長(zhǎng)，那么可以持續(xù)開發(fā)SoC版本，根據(jù)客戶需求來(lái)降低系統(tǒng)成本。

兩種技術(shù)各有千秋

如果SiP解決方案比SoC解決方案便宜，那么即使家庭市場(chǎng)和汽車市場(chǎng)也會(huì)使用SiP解決方案。例如，假設(shè)一個(gè)系統(tǒng)包含一個(gè)CPU(中央處理器)、多個(gè)硬件加速單元和大量的DRAM(動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器)，盡管僅僅通過(guò)基本的CMOS工藝就能制造DRAM，但為了有效地利用芯片面積，需要增加光刻次數(shù)，這就會(huì)明顯地提高芯片制造的成本。

大型存儲(chǔ)器通常使用優(yōu)化的工藝技術(shù)制成，這意味著存儲(chǔ)器和系統(tǒng)其余部分之間在生產(chǎn)技術(shù)方面有著明顯的差異。因此，雙芯片解決方案可能會(huì)變得很有吸引力，其中一個(gè)是CPU和硬件加速器芯片，另一個(gè)是DRAM芯片，使用層堆晶粒或PoP(堆疊封裝)方法將這兩顆芯片封裝在一起。正是在這類技術(shù)劃分中，理論上兩種晶粒都可以在CMOS工藝中實(shí)現(xiàn)，所以才出現(xiàn)了今天的SiP與SoC之爭(zhēng)。

系統(tǒng)使用SoC方案還是SiP方案，不僅取決于工藝技術(shù)的差異，而且還受到大量其他因素的影響，如成本、性能、尺寸、可靠性和設(shè)計(jì)難度。有意思的是，不一定因?yàn)橄到y(tǒng)能夠在單個(gè)CMOS工藝技術(shù)中得以實(shí)現(xiàn)，就要使用這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)，還需要考慮其他因素。

如果技術(shù)劃分是所有SiP的核心，那么生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)的高性能SiP的關(guān)鍵是正確實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)劃分，這要求在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上全面了解應(yīng)用，以便考察把某種功能從一種技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式轉(zhuǎn)到另一種方式所產(chǎn)生的后果。

在這里，擁有廣泛工藝技術(shù)的半導(dǎo)體制造商有著明顯的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗麄兛梢詫ｉT設(shè)計(jì)SiP的各個(gè)元件，進(jìn)而來(lái)適應(yīng)選定的結(jié)構(gòu)。從不同制造商采購(gòu)元件的模塊制造商則不可避免地會(huì)喪失這些元件設(shè)計(jì)的部分控制能力，從而使實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)劃分的難度大大提高。


如果產(chǎn)品開發(fā)周期要求緊，且SiP提供的解決方案比SoC便宜，最好采用SiP解決方案。更重要的是，SiP實(shí)現(xiàn)了完整的系統(tǒng)解決方案，而高集成的CMOSSoC則略遜一籌，如數(shù)字系統(tǒng)經(jīng)常需要外部元件，如解耦電容、頻率參考晶體、定時(shí)電容和靜電放電保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。例如，集成了RF收發(fā)器的SoC可能仍需要天線開關(guān)和濾波器等外部元件，我們必須設(shè)計(jì)并把這些元件組裝到印刷電路板上。而有了SiP，所有這些功能都可以集成到一個(gè)封裝中，而其能否實(shí)現(xiàn)只是取決于最終產(chǎn)品中提供的空間和成本。SiP占用的空間通常比較少，但在大多數(shù)情況下成本要高于使用分立元件。

面臨各自封裝技術(shù)挑戰(zhàn)

如前所述，轉(zhuǎn)向SiP解決方案必須有強(qiáng)有力的理由，不管這些理由是縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高集成度、提高靈活性、減少面積還是降低成本。與生活中大多數(shù)東西一樣，SiP不只是擁有優(yōu)勢(shì)，它們也帶來(lái)了許多挑戰(zhàn)，最常被提及的一個(gè)就是其要求KGD(良裸晶)。

通過(guò)把一批IC和不同的元件安裝到傳統(tǒng)基板上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，如印刷電路板，可以相對(duì)容易地確定和更換任何有問(wèn)題的元件。如果把所有這些元件嵌入到SiP中，那么確定和更換問(wèn)題元件則不會(huì)那么容易。也就是說(shuō)，如果發(fā)現(xiàn)組裝的SiP有問(wèn)題，那么其中的所有附加值就會(huì)失效。 [!--empirenews.page--]

使這種問(wèn)題減到最小的最佳方式是在組裝前100%預(yù)先測(cè)試SiP的所有元件，與傳統(tǒng)IC制造和封裝相比，其帶來(lái)的晶圓探測(cè)和測(cè)試負(fù)擔(dān)大大提高。這是許多應(yīng)用中引入堆疊封裝(PoP)式SiP的原因之一，如處理器/DRAM組合，因?yàn)樘幚砥骱虳RAM以一種可測(cè)試的封裝形式存在，然后才把兩個(gè)分立的封裝熔接到一個(gè)PoP式SiP中。

在封裝要求上，SoC和SiP都面臨著各自的挑戰(zhàn)。在SiP中，多個(gè)晶粒需要組合到一個(gè)封裝中，可以使用的技術(shù)有并排引線鍵合、層疊晶粒、雙倒裝芯片技術(shù)或引線鍵合與倒裝芯片互聯(lián)技術(shù)相結(jié)合。具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)包括加工和分揀超薄晶粒、懸掛晶粒上引線鍵合和低環(huán)引線鍵合以及新的晶粒黏合技術(shù)，如引線覆膜。

除現(xiàn)有技術(shù)外，業(yè)內(nèi)正在開發(fā)許多新技術(shù)。大多數(shù)技術(shù)進(jìn)一步改善了小型化和性能，如把晶粒內(nèi)嵌到模塊或封裝內(nèi)插板中，以及帶有通孔硅晶通路的3DIC技術(shù)。SoC也面臨著晶粒尺寸提高和焊盤間隙下降的挑戰(zhàn)。最大的挑戰(zhàn)在于，由于使用超低K電介質(zhì)，晶粒變得更脆、更易碎，進(jìn)而需要更細(xì)的引線，在引線鍵合時(shí)要特別小心，以避免損壞晶粒。另外必需調(diào)整全套材料，如澆鑄化合物以處理這些易碎晶粒。倒裝芯片SoC的主要問(wèn)題是間隙下降及大晶粒的可靠性問(wèn)題。