Система в корпусе: интеграция и применение

Введение

Электронный компонент

Система в корпусе (СиП) – это совокупность интегральных схем (ИС), заключенных в один корпус чипа или включающая в себя подложку корпуса ИС, которая может содержать пассивные компоненты и выполнять функции целой системы. ИС могут быть уложены методом «корпус на корпусе», размещены рядом друг с другом и/или встроены в подложку. СиП выполняет все или большинство функций электронной системы и обычно используется при разработке компонентов для мобильных телефонов, цифровых музыкальных плееров и т.п. Кристаллы, содержащие интегральные схемы, могут быть уложены вертикально на подложку корпуса. Они соединены внутри тонкими проводниками, прикрепленными к подложке корпуса. В качестве альтернативы, при использовании технологии flip-chip, для соединения уложенных кристаллов друг с другом и с подложкой корпуса применяются шарики припоя, или даже оба метода могут использоваться в одном корпусе. СиП подобны системам на кристалле (SoC), но менее плотно интегрированы и не изготавливаются на одном полупроводниковом кристалле. СиП могут использоваться для уменьшения размеров системы, повышения производительности или снижения затрат. Эта технология развилась из технологии многочиповых модулей (MCM), отличие заключается в том, что СиП также используют укладку кристаллов, которая позволяет складывать несколько чипов или кристаллов друг на друга.

Технология

SiP-модули могут быть уложены вертикально или размещены горизонтально в виде плитки с использованием таких технологий, как чиплеты или корпусная сборка. SiP соединяют кристаллы стандартными выводами или шариками припоя, в отличие от немного более плотных трехмерных интегральных схем, которые соединяют уложенные кремниевые кристаллы проводниками, проходящими сквозь кристалл с использованием сквозных кремниевых переходных отверстий (TSV). Разработано множество различных технологий 3D-упаковки для размещения множества достаточно стандартных кристаллов в компактной области. SiP могут содержать несколько чипов или кристаллов – например, специализированный процессор, DRAM, флэш-память – в сочетании с пассивными компонентами – резисторами и конденсаторами – все установленные на одной подложке. Это означает, что можно создать полноценный функциональный модуль в одном корпусе, что позволяет минимизировать количество внешних компонентов, необходимых для его работы. Это особенно важно в условиях ограниченного пространства, таких как MP3-плееры и мобильные телефоны, поскольку это упрощает конструкцию печатной платы и общую схему. Несмотря на свои преимущества, эта технология снижает выход годных, поскольку любой дефектный чип в корпусе приведет к неработоспособной упакованной интегральной схеме, даже если все остальные модули в этом корпусе будут исправны. SiP отличаются от распространенной архитектуры «система на кристалле» (SoC), которая интегрирует компоненты, основанные на функциональности, в один кристалл. SoC обычно интегрирует центральный процессор, графические и интерфейсы памяти, жесткий диск и подключение USB, оперативную и постоянную память, а также вторичное хранилище и/или их контроллеры на одном кристалле. В отличие от этого, SiP соединяет эти модули как отдельные компоненты в одном или нескольких корпусах чипов или кристаллах. SiP напоминает традиционную архитектуру ПК на основе материнской платы, поскольку разделяет компоненты по функциональности и соединяет их через центральную интерфейсную плату. SiP имеет меньшую степень интеграции по сравнению с SoC. Гибридные интегральные схемы в некоторой степени похожи на SiP, однако они, как правило, используют более старые или менее передовые технологии (склонны использовать однослойные печатные платы или подложки, не используют укладку кристаллов, не используют flip-chip или BGA для соединения компонентов или кристаллов, используют только выводные провода для соединения кристаллов или корпуса малого размера, используют корпуса DIP или SIP для интерфейса за пределами гибридной интегральной схемы вместо BGA и т.д.). Развитие технологии SiP в основном обусловлено ранними рыночными тенденциями в области носимых устройств, мобильных устройств и интернета вещей, которые не требуют таких больших объемов производства, как на устоявшемся рынке потребительских и бизнес-SoC. По мере того, как интернет вещей становится все более реальным и менее концептуальным, инновации происходят как на уровне «системы на кристалле», так и на уровне SiP, чтобы микроэлектромеханические (MEMС) датчики могли быть интегрированы на отдельный кристалл и управлять подключением. Решения SiP могут потребовать использования нескольких технологий упаковки, таких как flip-chip, выводные провода, упаковка на уровне пластины, сквозные кремниевые переходные отверстия (TSV), чиплеты и другие.

SiP dies can be stacked vertically or tiled horizontally, with techniques like chiplets or quilt packaging. SiPs connect the dies with standard off chip wire bonds or solder bumps, unlike slightly denser three dimensional integrated circuits which connect stacked silicon dies with conductors running through the die using through silicon vias. Many different 3D packaging techniques have been developed for stacking many fairly standard chip dies into a compact area. SiPs can contain several chips or dies—such as a specialized processor, DRAM, flash memory—combined with passive components—resistors and capacitors—all mounted on the same substrate. This means that a complete functional unit can be built in a single package, so that few external components need to be added to make it work. This is particularly valuable in space constrained environments like MP3 players and mobile phones as it reduces the complexity of the printed circuit board and overall design. Despite its benefits, this technique decreases the yield of fabrication since any defective chip in the package will result in a non functional packaged integrated circuit, even if all other modules in that same package are functional. SiPs are in contrast to the common system on a chip (SoC) integrated circuit architecture which integrates components based on function into a single circuit die. An SoC will typically integrate a CPU, graphics and memory interfaces, hard disk and USB connectivity, random access and read only memories, and secondary storage and/or their controllers on a single die. In comparison an SiP would connect these modules as discrete components in one or more chip packages or dies. An SiP resembles the common traditional motherboard based PC architecture, as it separates components based on function and connects them through a central interfacing circuit board. An SiP has a lower grade of integration in comparison to an SoC. Hybrid integrated circuits are somewhat similar to SiPs, however they tend to use older or less advanced technology (tend to use single layer circuit boards or substrates, not use die stacking, do not use flip chip or BGA for connecting components or dies, use only wire bonding for connecting dies or Small outline integrated circuit packages, use Dual in line packages, or Single in line packages for interfacing outside the Hybrid IC instead of BGA, etc.). SiP technology is primarily being driven by early market trends in wearables, mobile devices and the internet of things which do not demand the high numbers of produced units as in the established consumer and business SoC market. As the internet of things becomes more of a reality and less of a vision, there is innovation going on at the system on a chip and SiP level so that microelectromechanical (MEMS) sensors can be integrated on a separate die and control the connectivity. SiP solutions may require multiple packaging technologies, such as flip chip, wire bonding, wafer level packaging, Through silicon vias (TSVs), chiplets and more.