后摩尔定律时代：SoC and

SiP

2013-10-15

目 录

一、Moore’s Law & More Moore’s Law:

当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每 隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。

但是，芯片上元件的几何尺寸能无限制地缩小下去吗？

制约因素：

后摩尔定律：ITRS组织针对半导体产业近期(2007-2015年)和远(2016-2022年)的挑战， 在技术路线制定上，提出选择两种发展式： 一、继续沿着摩尔定律按比例缩小的方向前进，专注于硅基CMOS技术; 二、按“后摩尔定律”的多重技术创新应用向前发展，即在产品多功能 化(功 耗、带宽等)需求下，将硅基CMOS和非硅基等技术相结合，以提供完整的解 决方案来应对和满足层出不穷的新市场发展。

后摩尔定律除了会延续摩尔定律对集成度、性能的追求外，还会利 用更多的技术，例如模拟/射频、高压功率电源、MEMS传感器、生物芯 片技术及系统级封装(SiP)等三维(3D)集成技术，以提供具有更高附加价 值的系统。

图1:SoC与SiP的关系

二、SoC:System on Chip 芯片级系统片上系统

SOC是基于单芯片上完整系统，是的指在 单一芯片上实现信号采集、转换、存储、处理 和I/ O 接口等功能。 即在单一芯片上集成数 字和模拟混合电路、 信号采集和转换、 I/ O 接口、存储器、MCU(Microcontroller微控制 器)和 DSP(digital signal processor 数字信 号处理器)等IC。

SoC的基本组成： 系统芯片控制逻辑 微处理器/微控制器 数字信号处理器DSP 嵌入存储器 接口模块 模拟前端(ADC/DAC) 电源提供和功耗管理 射频前端 ……图2.1 SoC设计流程示意图

图2.2 SoC系统级研究内容

SOC 与单功能芯片相比有如下优点： 功能增加：从单一功能增加到多种功能，在单芯片上可实现天线切换、锁相回

路、本地振荡、解调变处理、调变处理和帧处理等功能。 性能提高：SOC 是从整个系统的角度进行设计的，可实现更高性能的 系统指标。 体积减少：降低所占的印制电路板(PCB)空间，减少了整机的体积。 成本降低：由于用 SOC 可减少外围电路芯片，因而降低了整机的成本。

虽然 SOC 设计概念给电子系统设计带来了高性能、低成本等优势，但高 度集成也增加了功耗、布线和复杂化等设计难度。另外，技术上把数字、模拟 、RF、微波信号、MEMS等集成在同一芯片上的工艺存在兼容问题。

三、SiP: System In Package系统级封装 系统封装 ( SiP)在 ITRS 2005 中对 SiP 的定义是:“系统级封装是采用任 何组合, 将多个具有不同功能的有源电子器件与可选择性的无 源元件以及诸如 MEMS 或者光学器件等其他器件首先组装

成 为可以提供多种功能的单个标准封装件, 形成一个系统或者子 系统”。 SiP模多采用塑料阵列封(PBGA)和芯片阵列(Chip Array)封装形式，它可以用倒装片、金属线焊、 层叠式管 芯、 陶瓷衬底、 球栅阵列 (BGA) 封装或凸缘栅格阵列 (Land Grid Array LGA)等封装技术来集成各种芯片(如数 字电路、DRAM、微机电系统)和分立器件。

图3.1 SiP的封装形式分类

SiP 的特征一、以衬底硅片作为封装基板； 而用硅片作为基板，特别是以倒扣和穿透的互 连， 可以减小芯片与基板之间热应力影响 二、更多地采用硅加工技术，例如光刻等； 三、不仅是实现分立元器件的互连, 而且是将一些元器件直 接做在硅片上。

图 3.2 典型 SiP 多功能集成示意图

SIP 具有如下优点： 同一封装内封装了多种 IC 裸片，免去冗余封装； 同一封装内 IC 间距变小，减小了互连； 封装内的元器件互相堆叠，提高了封装密度，节省了封装基板面 积。

所面临的挑战： 复杂系统的芯片封装、 系统协同设计(Co-de-sign), 热管理等 工艺技术的创新 测试工具与方法

四、SoC

VS

SiP片上系统

图 4.1 SoC与SiP分别置于天平两端

成本方面：

图4.2

蜂窝式手持电话SOC与SiP结构示意图

表1 蜂窝式电话电路采用SOC与SiP设计成本分析表

知识产权方面：

由于缺乏 I P 设计规范和标准 ,设计风格的差异导致 I P 核交流复用的困难和风险 ,阻碍 了 SO C 的快速发展；即使 IP有统一设计标准，但各个企业因追求经济效益以及保密限 制等,彼此之间会形成壁垒 ,他们之间的交流不可能象人们想 象的那样活跃。

而 SiP是在封装阶段的集成，因此可以把需要不同工艺 的器件电路留在原工艺上流片，不必像 SoC那样一定要把嵌 入的 IP 通过CMOS的工艺验证，还要有很好的良率，当然更 不必为开发 IP改动工艺。

技术方面：

为了实现整个系统的单芯片 化 ,需要异种结构元件异 种工艺元件混载 、数字元件模拟元件混载 、处理声音 动 画的大容量存储器混载 ,还有与模拟电路相关联的、无源 元件的参数和特性受薄膜工艺的限制等 ,存在许多问题。

由于 SiP是在封装阶段的集成，因此可以对所有准备 封装的芯片做测量，保证嵌入的 IP 有100%良率，这是SoC 所做不到的。

图4.3 对于用户(电子设备制作厂家)来说 选择的SOC优先度与SiP的比较

SoC 和 SiP 各有各的优势1

易小型2

SiP>SoC SiP>SoC SiP>SoC SiP>SoC SiP<SoC SiP<SoC

多功能 供货期短设计资产的再利用性 高速化

34

56 7 8

低功耗

高性能

SiP<SoCSiP>(<)SoC21

低价格