系统级封装(SiP)技术介绍

Si³P框架简介

系统级封装(SiP)代表电子封装技术的重大进步，将多个有源和无源元件组合在单个封装中。本文通过Si³P框架探讨SiP的基本概念和发展，包括集成、互连和智能三个方面[1]。

SiP概念可以通过Si³P更好地理解，将"i"扩展为三个关键要素：集成、互连和智能。

图1展示了SiP向Si³P的扩展，说明一个"i"如何转变为代表集成、互连和智能的三个"i"。

SiP的集成层次

SiP集成发生在三个不同层次：芯片级、印制电路板级和封装级。每个层次都具有独特的挑战和系统开发机会。

图2展示了电子系统集成的三个层次，显示了从芯片到封装再到印制电路板的层次结构。

互连架构

SiP的互连包括三个主要领域：电磁(EM)、热力和力学。对于电磁互连，信号完整性和传输路径优化尤为重要。

图3显示了从芯片到封装的信号传输路径，说明了各种互连元素。

热管理方案

SiP的热管理需要仔细考虑热传递路径。热结构函数曲线有助于分析散热特性。

图4显示了热结构函数曲线，展示了不同材料的热阻和热容量变化。

对于高功率应用，可能需要特殊的散热通道来有效管理热量。

图5说明了SiP设计中通过特殊散热通道进行散热的方式。

机械设计考虑

力学互连处理影响封装的外部和内部力。QFN和QFP等不同封装类型具有不同的力学处理能力。

图6比较了QFN和QFP封装类型，展示其不同的结构特征。

智能化与测试策略

SiP的智能化包括系统功能、测试和软件集成。

测试包括机器级和板级验证。

图7解释了SiP器件的机器测试原理。

历史演进

电子集成的历史发展显示了SiP如何成为关键技术。

图8展示了印制电路板、封装和集成电路技术的集成历史，显示其并行发展。

概念框架与未来展望

Si³P概念可以通过类比来理解：集成类似于建造房屋，互连类似于修建道路，智能类似于人类居住者。

图9总结了Si³P概念，显示物理结构、能量传递和功能应用之间的关系。

随着技术发展，SiP技术继续发展新的集成方法和互连策略。在后摩尔定律时代，传统缩放面临物理限制时，这项技术显示出特殊优势。

图10提供了Si³P的概念理解，说明其三个主要组成部分。

应用与实施

这项技术在消费电子到航空航天等多个领域得到应用。现代智能手机就集成了多个协同工作的SiP系统。每个SiP可以处理特定功能，如感测、处理或通信，同时保持与其他系统组件的兼容性。

SiP设计需要仔细考虑应用场景。例如，用于空间探索的SiP必须考虑辐射效应和自主运行能力，而用于智能手机的SiP则必须优先考虑功率效率和紧凑形态。

测试和调试是SiP开发中的重要部分，通常占用超过一半的开发时间。各种测试，包括功能、性能、机械强度、热冲击和可靠性测试，确保最终产品的稳定性。

软件在SiP功能中发挥着越来越重要的作用。硬件和软件之间存在相互依存的关系：硬件提供物理平台，软件实现功能和智能。这包括基本操作的系统软件、特定功能的应用软件和验证与调试的测试软件。

参考文献

[1] S. Li, "From SiP to Si³P," in MicroSystem Based on SiP Technology, S. Li, Ed. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2022, pp. 29-65.