系統級封裝 (SiP) 是一種用于將多個集成電路 (IC) 和無源元件捆綁到一個封裝中的方法，它們在該封裝下協同工作。這與片上系統 (SoC) 形成對比，而這些芯片上的功能集成到同一芯片中。

包含基于各種工藝節點（CMOS、SiGe、BiCMOS）的不同電路的硅芯片可以垂直或并排堆疊在基板上。該封裝包含一條內部布線，可將所有管芯連接在一起形成一個功能系統。引線鍵合或凸塊技術通常用于系統級封裝解決方案中。

系統級封裝類似于片上系統，但集成度較低，并且不是使用單個半導體芯片制造的。一個普通的SiP解決方案可能會采用多種封裝技術，例如倒裝芯片、引線鍵合、晶圓級封裝等。

封裝在系統級封裝中的集成電路和其他組件的數量在理論上是無限的，因此，工程師基本上可以將整個系統集成到一個封裝中。

系統級封裝的簡史

在 1980 年代，SiP 以多芯片模塊的形式出現。他們不是將芯片放在印刷電路板上，而是可以通過將芯片組合到一個封裝中來降低成本或縮短電信號需要傳輸的距離，而連接在歷史上是通過引線鍵合實現的。

集成是半導體開發和使用背后的主要推動力。從 SSI（小規模集成——單個芯片上的幾個晶體管）開始，該行業已轉向 MSI（中等規模集成——單個芯片上數百個晶體管）、LSI（大規模集成——單個芯片上數萬個晶體管）芯片）、ULSI（超大規模集成——單個芯片上超過一百萬個晶體管）、VLSI（超大規模集成——單個芯片上數十億個晶體管）和最后的 WSI（晶圓級集成——整個晶圓變成單個超級芯片）。

所有這些都是物理集成指標，沒有考慮所需的功能集成。因此，出現了幾個術語來填補空白，例如 ASIC（專用集成電路）和 SoC（片上系統），它們將重點轉移到更多的系統集成上。

至于最初對 SiP 的需求，我們無需再看微處理器。微處理器的開發和生產要求與模擬電路、電源管理設備或存儲設備的要求有很大不同。這導致了系統級集成度的明顯提高。

盡管 SiP 這個詞相對較新，但實際上 SiP 長期以來一直是半導體行業的一部分。

在 1970 年代，它以自由布線、多芯片模塊 (MCM) 和混合集成電路 (HIC) 的形式出現。

圖 3：HIC示例

在 1990 年代，它被用作 Intel 的 Pentium Pro3 集成處理器和緩存的解決方案。如今，SiP 已轉變為將多個芯片集成到單個封裝中以減少空間和成本的解決方案。

系統級封裝的好處

SiP 和 SoC 之間的主要區別在于 SoC 將所需的每個組件都集成在同一芯片上，而 SiP 方法采用異構組件并將它們連接到一個或多個芯片載體封裝中。

例如，SoC 會將 CPU、GPU、內存接口、HDD 和 USB 連接、RAM/ROM 和/或它們的控制器集成在單個硅片上，然后將其封裝到單個芯片中。相比之下，等效的 SiP 將采用來自不同工藝節點（CMOS、SiGe、高功率）的獨立管芯，將它們連接并組合成單個封裝到單個基板 (PCB) 上。考慮到這一點，很容易看出與類似的 SoC 相比，SiP 的集成度較低，因此，SiP 的采用速度很慢。

不過最近，2.5D 和 3D IC、倒裝芯片技術和封裝技術的進步讓人們對使用 SiP 提供的可能性有了新的認識。

有幾個主要因素推動了當前用 SiP 取代 SoC 的趨勢

• 天線、MEMS 傳感器、無源元件（例如：大電感）等外部設備無法裝入 SoC。因此，工程師需要使用 SiP 技術為其客戶提供完整的解決方案。
• 交付模塊而不是芯片是一種趨勢，因為無線應用（例如藍牙模塊）可以幫助客戶快速進入市場，而無需從頭開始設計。相反，他們使用由整個系統組成的 SiP 模塊。

除了上述因素外，SiP 還具有以下優勢：

• 小型化，降低成本，簡化設計流程，良率更高，可靠性更好。

不過，為了全面了解，我們必須承認 SiP 也有一些缺點。以下是在選擇 SiP 作為設計理念之前需要考慮的一些主要缺點：

• 缺乏靈活性
• 難以定制
• 不同的設計方法

圖 4：使用系統級封裝的優缺點

SiP的未來趨勢

人們可以將 SiP 概括為由一個襯底組成，在該襯底上將多個芯片與無源元件組合在一起，以創建一個功能完整的獨立封裝，只需在外部連接幾個組件即可創建所需的產品。由于由此產生的尺寸減小和緊密集成，SiP 在空間受限的設備中非常受歡迎，例如 MP3 播放器和智能手機。另一方面，如果只有一個組件有缺陷，則整個系統將無法正常工作，從而導致制造成品率下降。

隨著物聯網時代的到來，不斷的開發和研究有助于使SiP更接近SoC，成本更低，體積要求和初始投資更小，并且在系統簡化方面具有積極的趨勢。此外，推動創建越來越大的單片 SoC 開始觸及設計驗證和可制造性的瓶頸，因為擁有更大的裸片會導致更大的故障機會，從而導致更多的硅晶圓損失。

從 IP 方面來看，SiP 是 SoC 的絕佳未來替代品，因為它們可以集成最新的標準和協議，而無需持續更長、更昂貴的重新設計階段。此外，SiP 方法允許更快、更節能的通信和電力傳輸，這是在考慮 SiP 采用和應用的長期前景時要考慮的另一個令人鼓舞的因素。