原文：「超越摩爾之路——SiP簡介」，作者：毛忠宇；「System in Package」，作者：Paul McLellan；節選、編輯：Cadence / 江亮

Apple 公司

根據 Chipworks 的(de) x 光(guāng)分(fēn)析表明(míng)，蘋果手錶的(de) S1「晶片」實際上是一個 SiP，其中包含大(dà)約 30 個積體電路、許多(duō)無源元件，除封裝本身之外，還有一個 ST 加速度計 / 陀螺儀。

AMD 公司

AMD 的(de)圖形處理(lǐ)器用(yòng)作矽仲介層和(hé)矽通(tōng)孔。它在 1.011mm2 的(de)仲介層中心安裝了(le)一個 595mm2 的(de)專用(yòng)積體電路（ASIC），這個ASIC 周圍有四個高(gāo)頻寬記憶體（HBM）疊層（每個疊層由一個邏輯晶片和(hé)四個堆疊在頂部的(de)動態隨機存取記憶體（DRAM）晶片組成）。互連超過 200,000 個，包括銅柱凸塊和(hé) C4 凸塊。仲介層有 65,000 個直徑為 10um 的(de)矽通(tōng)孔。

索尼已在三層堆疊結構上更進一步。頂部是圖像感測器，中間是 DRAM 層，底部是 ISP（圖像信號處理(lǐ)器）。來自圖像感測器的(de)信號實際上直接通(tōng)過 DRAM 層到達處理(lǐ)器，然後返回記憶體。這是第一個使用(yòng)晶圓接合的(de)商業化(huà)三層堆疊結構。實際上，它用(yòng)在了(le)一款高(gāo)階手機上，即索尼 Experia XZ，這款手機於 2017 年 2 月(yuè)在 MWC（世界移動通(tōng)信大(dà)會）大(dà)會上推出。圖像感測器和(hé)（DRAM）的(de)厚度減薄到了(le) 2.6um！幾十年前，這是電晶體的(de)大(dà)小。

索尼不僅是圖像感測器領域的(de)領先者，在包括蘋果手機在內的(de)大(dà)多(duō)數高(gāo)端手機領域也(yě)是如此。索尼在 2017 年推出的(de)這款手機能達到 960fps，已經相當令人(rén)驚豔了(le)。

諾基亞公司

諾基亞 SiP 適用(yòng)于企業路由器，因此不屬於像移動設備這樣對成本非常敏感的(de)市場。它的(de)處理(lǐ)速度可(kě)達 100TB/s 甚至更高(gāo)。含有 22 個晶片，其中包括定制記憶體。整個路由器的(de)尺寸與遊戲機相當，卻可(kě)以同時處理(lǐ)令人(rén)難以置信的(de)視頻流（Netflix、YouTube等）。

2.2. SiP —— 為智能手機量身定制

SiP 在無線通(tōng)訊領域的(de)應用(yòng)最早，也(yě)是應用(yòng)最為廣泛的(de)領域。在無線通(tōng)訊領域，對於功能傳輸效率、雜訊、體積、重量以及成本等多(duō)方面要求越來越高(gāo)，迫使無線通(tōng)訊向低成本、可(kě)?式、多(duō)功能和(hé)高(gāo)性能等方向發展。SiP 是理(lǐ)想的(de)解決方案，綜合了(le)現有的(de)芯核資源和(hé)半導體生產工藝的(de)優勢，降低成本，縮短上市時間，同時克服了(le) SOC 中諸如工藝相容、信號混合、雜訊幹擾、電磁幹擾等難度。手機中的(de)射頻功放，集成了(le)頻功放、功率控制及收發轉換開關等功能，完整的(de)在 SiP 中得(de)到了(le)解決。

手機輕薄化(huà)帶來 SiP 需求增長。手機是 SiP 封裝最大(dà)的(de)市場。隨著智慧手機越做(zuò)越輕薄，對於 SiP 的(de)需求自然水(shuǐ)漲船高(gāo)。從 2011-2015 年，各個品牌的(de)手機厚度都在不斷縮減。輕薄化(huà)對組裝部件的(de)厚度自然有越來越高(gāo)的(de)要求。以 iphone 6s 為例，已大(dà)幅縮減 PCB 的(de)使用(yòng)量，很多(duō)晶片元件都會做(zuò)到 SiP 模組裡，而到了(le) iPhone 8，有可(kě)能是蘋果第一款全機採用(yòng) SiP 的(de)手機。這意味著，iPhone8 一方面可(kě)以做(zuò)得(de)更加輕薄，另一方面會有更多(duō)的(de)空間容納其他(tā)功能模組，比如說更強大(dà)的(de)攝像頭、揚聲器，以及電池。

蘋果手錶應用(yòng)的(de)技術最為先進。在尺寸 26mm x 28mm 的(de)封裝中含有許多(duō)器件。手錶對尺寸的(de)嚴格約束意味著不使用(yòng) SiP 技術就不可(kě)能構建整個系統。下(xià)圖是蘋果手錶的(de)電路闆，可(kě)以更清晰的(de)瞭解該級別的(de)設計：

觸控晶片。在 Iphone 6 中，觸控晶片有兩顆，分(fēn)別由 Broadcom 和(hé) TI 提供，而在 6S 中，將這兩顆封在了(le)同一個 package 內，實現了(le) SiP 的(de)封裝。而未來會進一步將 TDDI 整個都封裝在一起。iPhone 6s 中展示了(le)新一代的(de) 3D Touch 技術。觸控感應檢測可(kě)以穿透絕緣材料外殼，通(tōng)過檢測人(rén)體手指帶來的(de)電壓變化(huà)，判斷出人(rén)體手指的(de)觸摸動作，從而實現不同的(de)功能。而觸控晶片就是要採集接觸點的(de)電壓值，將這些電極電壓信號經過處理(lǐ)轉換成座標信號，並根據座標信號控制手機做(zuò)出相應功能的(de)反應，從而實現其控制功能。3D Touch 的(de)出現，對觸控模組的(de)處理(lǐ)能力和(hé)性能提出了(le)更高(gāo)的(de)要求，其複雜結構要求觸控晶片採用(yòng) SiP 組裝，觸覺回饋功能加強其操作友好性。

指紋識別同樣採用(yòng)了(le) SiP 封裝。將感測器和(hé)控制晶片封裝在一起，從 iPhone 5 開始，就採取了(le)相類似的(de)技術。

3. 快(kuài)速增長的(de) SiP 市場

3.1. 市場規模 & 滲透率迅速提升

2013-2016 年 SiP 市場複合年均增長率為 15%。2016 年全球 SiP 產值約為 64.94 億美(měi)元，較 2015 年成長 17.4% 左右；在智慧型手機出貨量持續高(gāo)位，以及 Apple Watch 等穿戴式產品問世下(xià)，全球 SiP 產值估計將繼續增長。

以 2016-2018 年為週期，我們來計算(suàn) SiP 在智慧手機市場三年內的(de)市場規模。假設 SiP 的(de)單價每年降價 10%，智能手機出貨量年增 3%。可(kě)以看到，SiP 在智慧手機中的(de)新增市場規模的(de)複合年均增長率為 192%，非常可(kě)觀。

3.2. 從製造到封測——逐漸融合的(de) SiP 產業鏈

從產業鏈的(de)變革、產業格局的(de)變化(huà)來看，今後電子產業鏈將不再隻是傳統的(de)垂直式鏈條：終端設備廠商——IC 設計公司——封測廠商、Foundry 廠、IP 設計公司，產品的(de)設計將同時調動封裝廠商、基闆廠商、材料廠、IC 設計公司、系統廠商、Foundry 廠、器件廠商（如 TDK、村(cūn)田）、存儲大(dà)廠（如三星）等彼此交叉協作，共同實現產業升級。未來系統將帶動封裝業進一步發展，反之高(gāo)端封裝也(yě)將推動系統終端繁榮。未來系統廠商與封裝廠的(de)直接對接將會越來越多(duō)，而 IC 設計公司則將可(kě)能向 IP 設計或者直接出售晶圓兩個方向去發展。

由於封測廠幾乎難以向上遊跨足晶圓代工領域，而晶圓代工廠卻能基於制程技術優勢跨足下(xià)遊封測代工，尤其是在高(gāo)階 SiP 領域方面；因此，晶圓代工廠跨入 SiP 封裝業務，將與封測廠從單純上下(xià)遊合作關係，轉向微妙的(de)競合關係。

封測廠一方面可(kě)朝差異化(huà)發展以區隔市場，另一方面也(yě)可(kě)選擇與晶圓代工廠進行技術合作，或是以技術授權等方式，搭配封測廠龐大(dà)的(de)產能基礎進行接單量產，共同擴大(dà)市場。此外，晶圓代工廠所發展的(de)高(gāo)階異質封裝，其部份制程步驟仍須專業封測廠以現有技術協助完成，因此雙方仍有合作立基點。

SiP 促成了(le)許多(duō)產品的(de)實現，尤其是：

	手機、平闆、筆記本
	固態硬碟（SSD）
	物(wù)聯網（IoT）設備
	汽車安全系統，包括雷達
	醫用(yòng)可(kě)穿戴設備
	高(gāo)性能運算(suàn)（HPC）系統

其中，主要的(de)驅動因素便是性能和(hé)外形。但對低成本解決方案的(de)需求推動了(le)新封裝設計的(de)採用(yòng)，這些因素缺一不可(kě)。此外，經濟和(hé)商業決策也(yě)是一個很大(dà)的(de)驅動因素，有時還有技術性能方面的(de)考慮（例如 70GHz 雷達）。

隨著摩爾定律這一趨勢減緩，而最先進的(de)工藝不再適用(yòng)於許多(duō)模擬或射頻設計，SiP 會成為首選的(de)集成方法之一，集成是「超越摩爾定律」的(de)一個關鍵方面，而 SiP 將在不單純依賴半導體工藝的(de)面積縮放的(de)情況下(xià)，實現更高(gāo)的(de)集成度。

SiP 代表了(le)行業的(de)發展方向：晶片發展從一味追求功耗下(xià)降及性能提升（摩爾定律），轉向更加務實的(de)滿足市場的(de)需求（超越摩爾定律），SiP 是實現的(de)重要路徑。SiP 從終端電子產品角度出發，不再一味關注晶片本身的(de)性能 / 功耗，而去實現整個終端電子產品的(de)輕薄短小、多(duō)功能、低功耗等特性；在行動裝置與穿戴裝置等輕巧型產品興起後，SiP 的(de)重要性日益顯現。