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
SiP 是組裝在同一個封裝中的兩個或多個不同的晶片。這些晶片可能大不相同，包括微機電系統（MEMS）、感測器、天線和無源元件，以及更顯眼的數位晶片、類比晶片和記憶體晶片。唯一例外的是將單個晶片放入封裝中——但即使一個封裝裡面只有一顆系統單晶片（SoC）也不能稱作 SiP。這也許有點矛盾，但符合一句格言，「系統級總是最高級」。
1. SiP —— 超越摩爾定律的必然選擇路徑
摩爾定律確保了晶片性能的不斷提升。眾所周知，摩爾定律是半導體行業發展的「聖經」。在矽基半導體上，每 18 個月實現電晶體的特徵尺寸縮小一半，性能提升一倍。在性能提升的同時，帶來成本的下降，這使得半導體廠商有足夠的動力去實現半導體特徵尺寸的縮小。這其中，處理器晶片和存儲晶片是最遵從摩爾定律的兩類晶片。以 Intel 為例，每一代的產品完美地遵循摩爾定律。在晶片層面上，摩爾定律促進了性能的不斷往前推進。
SiP 是解決系統桎梏的勝負手。把多個半導體晶片和無源器件封裝在同一個晶片內，組成一個系統級的晶片，而不再用 PCB 板來作為承載晶片連接之間的載體，可以解決因為PCB自身的先天不足帶來系統性能遇到瓶頸的問題。以處理器和存儲晶片舉例，因為系統級封裝內部走線的密度可以遠高於 PCB 走線密度，從而解決 PCB 線寬頻來的系統瓶頸。舉例而言，因為記憶體晶片和處理器晶片可以透過穿孔的方式連接在一起，不再受 PCB 線寬的限制，從而可以實現資料頻寬在介面頻寬上的提升。
SiP 有多種形式，包括從高端的帶矽通孔（TSV）的矽 interposer 和晶片到低端帶引線鍵合晶片的 BGA（就像老一代 iPhone 中的Ax晶片）。過去，SiP 受到一個悖論的限制：如果 SiP 更便宜，便會有更多人使用它們，但是如果沒有大量的量產應用，成本仍然很高。但是移動電子消費品的市場如此之大，動輒上億，這在一夕之間改變了這種兩難境地。
另一個驅動 SiP 發展的因素是物聯網（IoT）。幾乎任何物聯網設備都包含感測器、計算器件、通信設備（通常是無線的），以及記憶體。這些不可能利用同一製程製造，也就無法在同一個晶片上製造，所以在 SiP 級別進行整合更為可行。物聯網的兩大驅動因素是感測器成本的降低，以及多晶片封裝和模組的低成本。市場容量受到 SiP 成本的影響，而 SiP 成本又會影響到市場容量，兩者相輔相成。
2. SiP —— 為應用而生
2.1. 主要應用領域
SiP 的應用非常廣泛，主要包括：無線通訊、汽車電子、醫療電子、電腦、軍用電子等。
德州儀器公司
德州儀器公司的 MicroSiP 是一個電源設備。尺寸僅為 2.9mm x 2.3mm x 1mm，其中包括安裝在頂部的電感，以減少電路板空間。
Microsemi 公司
Microsemi 已將晶片嵌入到基板中，與之前的版本相比，面積減少了 400%。它具有很高的可靠性，符合植入式元件的 MIL 標準。這種方法也適用于其他需要高可靠性的環境，如航空航太、汽車和工業傳感領域。在此舉一個改進示例——超薄嵌入式晶片，其疊層厚度為 0.5mm，模組總高度約為 1mm（這是分立元件的極限）。
Apple 公司
根據 Chipworks 的 x 光分析表明，蘋果手錶的 S1「晶片」實際上是一個 SiP，其中包含大約 30 個積體電路、許多無源元件，除封裝本身之外，還有一個 ST 加速度計 / 陀螺儀。
AMD 公司
AMD 的圖形處理器用作矽仲介層和矽通孔。它在 1.011mm2 的仲介層中心安裝了一個 595mm2 的專用積體電路（ASIC），這個ASIC 周圍有四個高頻寬記憶體（HBM）疊層（每個疊層由一個邏輯晶片和四個堆疊在頂部的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 C4 凸塊。仲介層有 65,000 個直徑為 10um 的矽通孔。
索尼公司
CMOS 圖像感測器（CIS）的最先進技術不是像過去那樣將圖像感測器的正面暴露在光線下，而是將圖像感測器變薄，使其對光線透明，然後將其翻轉到下方的圖像感測器處理器（ISP）晶片上，因此不再需要任何 TSV。感測器接收到的光穿過變薄的晶片背面。
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（圖像信號處理器）。來自圖像感測器的信號實際上直接通過 DRAM 層到達處理器，然後返回記憶體。這是第一個使用晶圓接合的商業化三層堆疊結構。實際上，它用在了一款高階手機上，即索尼 Experia XZ，這款手機於 2017 年 2 月在 MWC（世界移動通信大會）大會上推出。圖像感測器和（DRAM）的厚度減薄到了 2.6um！幾十年前，這是電晶體的大小。
索尼不僅是圖像感測器領域的領先者，在包括蘋果手機在內的大多數高端手機領域也是如此。索尼在 2017 年推出的這款手機能達到 960fps，已經相當令人驚豔了。
諾基亞公司
諾基亞 SiP 適用于企業路由器，因此不屬於像移動設備這樣對成本非常敏感的市場。它的處理速度可達 100TB/s 甚至更高。含有 22 個晶片，其中包括定制記憶體。整個路由器的尺寸與遊戲機相當，卻可以同時處理令人難以置信的視頻流（Netflix、YouTube等）。
2.2. SiP —— 為智能手機量身定制
SiP 在無線通訊領域的應用最早，也是應用最為廣泛的領域。在無線通訊領域，對於功能傳輸效率、雜訊、體積、重量以及成本等多方面要求越來越高，迫使無線通訊向低成本、可?式、多功能和高性能等方向發展。SiP 是理想的解決方案，綜合了現有的芯核資源和半導體生產工藝的優勢，降低成本，縮短上市時間，同時克服了 SOC 中諸如工藝相容、信號混合、雜訊干擾、電磁干擾等難度。手機中的射頻功放，集成了頻功放、功率控制及收發轉換開關等功能，完整的在 SiP 中得到了解決。
手機輕薄化帶來 SiP 需求增長。手機是 SiP 封裝最大的市場。隨著智慧手機越做越輕薄，對於 SiP 的需求自然水漲船高。從 2011-2015 年，各個品牌的手機厚度都在不斷縮減。輕薄化對組裝部件的厚度自然有越來越高的要求。以 iphone 6s 為例，已大幅縮減 PCB 的使用量，很多晶片元件都會做到 SiP 模組裡，而到了 iPhone 8，有可能是蘋果第一款全機採用 SiP 的手機。這意味著，iPhone8 一方面可以做得更加輕薄，另一方面會有更多的空間容納其他功能模組，比如說更強大的攝像頭、揚聲器，以及電池。
蘋果手錶應用的技術最為先進。在尺寸 26mm x 28mm 的封裝中含有許多器件。手錶對尺寸的嚴格約束意味著不使用 SiP 技術就不可能構建整個系統。下圖是蘋果手錶的電路板，可以更清晰的瞭解該級別的設計：
觸控晶片。在 Iphone 6 中，觸控晶片有兩顆，分別由 Broadcom 和 TI 提供，而在 6S 中，將這兩顆封在了同一個 package 內，實現了 SiP 的封裝。而未來會進一步將 TDDI 整個都封裝在一起。iPhone 6s 中展示了新一代的 3D Touch 技術。觸控感應檢測可以穿透絕緣材料外殼，通過檢測人體手指帶來的電壓變化，判斷出人體手指的觸摸動作，從而實現不同的功能。而觸控晶片就是要採集接觸點的電壓值，將這些電極電壓信號經過處理轉換成座標信號，並根據座標信號控制手機做出相應功能的反應，從而實現其控制功能。3D Touch 的出現，對觸控模組的處理能力和性能提出了更高的要求，其複雜結構要求觸控晶片採用 SiP 組裝，觸覺回饋功能加強其操作友好性。
指紋識別同樣採用了 SiP 封裝。將感測器和控制晶片封裝在一起，從 iPhone 5 開始，就採取了相類似的技術。
3. 快速增長的 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 億美元，較 2015 年成長 17.4% 左右；在智慧型手機出貨量持續高位，以及 Apple Watch 等穿戴式產品問世下，全球 SiP 產值估計將繼續增長。
以 2016-2018 年為週期，我們來計算 SiP 在智慧手機市場三年內的市場規模。假設 SiP 的單價每年降價 10%，智能手機出貨量年增 3%。可以看到，SiP 在智慧手機中的新增市場規模的複合年均增長率為 192%，非常可觀。
3.2. 從製造到封測——逐漸融合的 SiP 產業鏈
從產業鏈的變革、產業格局的變化來看，今後電子產業鏈將不再只是傳統的垂直式鏈條：終端設備廠商——IC 設計公司——封測廠商、Foundry 廠、IP 設計公司，產品的設計將同時調動封裝廠商、基板廠商、材料廠、IC 設計公司、系統廠商、Foundry 廠、器件廠商（如 TDK、村田）、存儲大廠（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，反之高端封裝也將推動系統終端繁榮。未來系統廠商與封裝廠的直接對接將會越來越多，而 IC 設計公司則將可能向 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游跨足晶圓代工領域，而晶圓代工廠卻能基於制程技術優勢跨足下游封測代工，尤其是在高階 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游合作關係，轉向微妙的競合關係。
封測廠一方面可朝差異化發展以區隔市場，另一方面也可選擇與晶圓代工廠進行技術合作，或是以技術授權等方式，搭配封測廠龐大的產能基礎進行接單量產，共同擴大市場。此外，晶圓代工廠所發展的高階異質封裝，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。
4. 總結
SiP 促成了許多產品的實現，尤其是：
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手機、平板、筆記本 |
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固態硬碟（SSD） |
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物聯網（IoT）設備 |
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汽車安全系統，包括雷達 |
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醫用可穿戴設備 |
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高性能運算（HPC）系統 |
其中，主要的驅動因素便是性能和外形。但對低成本解決方案的需求推動了新封裝設計的採用，這些因素缺一不可。此外，經濟和商業決策也是一個很大的驅動因素，有時還有技術性能方面的考慮（例如 70GHz 雷達）。
隨著摩爾定律這一趨勢減緩，而最先進的工藝不再適用於許多模擬或射頻設計，SiP 會成為首選的集成方法之一，集成是「超越摩爾定律」的一個關鍵方面，而 SiP 將在不單純依賴半導體工藝的面積縮放的情況下，實現更高的集成度。
SiP 代表了行業的發展方向：晶片發展從一味追求功耗下降及性能提升（摩爾定律），轉向更加務實的滿足市場的需求（超越摩爾定律），SiP 是實現的重要路徑。SiP 從終端電子產品角度出發，不再一味關注晶片本身的性能 / 功耗，而去實現整個終端電子產品的輕薄短小、多功能、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 的重要性日益顯現。
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