系统级SiP芯片，物联网下一个竞争高地

不知不觉中,我们正在经历着新一轮的工业革命。物联网时代的到来推动着千行百业朝着数字化、智能化方向发展。随着智能终端的普及，人们对于消费电子产品的要求也愈发向着体积小、重量轻、功能全以及低功耗方向发展。

为了能在更小的空间内构建功能更加丰富、针对行业用户进行深度优化的芯片系统，系统级 IC 封装(SiP，System in Package)成为了半导体行业内的新趋势，当前包括奉加微在内的诸多物联网通信芯片原厂纷纷开始发力，推出功能丰富的SiP芯片产品。

投向物联网的“重磅炸弹”

封装曾经是半导体制造过程中最容易被忽视的一个环节，但随着摩尔定律逐渐放缓，工程师们开始意识到，封装的优化和创新对于芯片功能升级的重要性，而SIP封装就是当下封装技术中的重要组成部分。

与从IC设计角度出发的SoC，以及可相互进行模块化组装的Chiplet不同，SiP封装简单地说就是将两个或多个不同的芯片整合在单一封装中。全球半导体封装大厂安靠对SiP的定义则为：在单个IC封装中，包含多个芯片或一个芯片，加上被动组件、电容、电阻、连接器、天线等任一组件以上之封装，即视为SiP。

与其他封装类型相比，SiP技术优势十分明显，比如可以集成不同的有源或无源元件，形成功能完整的系统或者子系统；通过增加芯片之间连接的直径和缩短信号传输的距离，提升性能并降低功耗；应用广泛，主要应用于消费性、通讯产品，如手机、平板等，以及5G、物联网、自驾车、智能城市、远距医疗等应用相关电子装置及组件…等。

图源：天风证券

在诸多应用中，物联网可以说是SiP 的一大推动力。以物联网可穿戴设备来说，Yole Development数据显示，SiP市场规模预计从2020年的140亿美元增长到2026年的190亿美元，可穿戴设备SiP市场在2020年的业务价值为1.84亿美元，仅占整个消费电子市场SiP的1.55%，预计到2026年将达到3.98亿美元，增长率达14%。

稳坐全球可穿戴设备数量首位的苹果就是坚定看好SiP应用的公司，也可以说是将SiP带“火”的公司。早在2015年第一代AppleWatch中，苹果就开始采用了SiP工艺，将CPU、存储、WiFi、触控、音频等30多个独立组件，20多个芯片，8000多个元器件都集成在1mm厚度的狭小空间内。

在2020年推出的AirPods Pro中，苹果更是首次为其TWS耳机选择了类似的解决方案——两种不同的SiP封装，一种用于蓝牙连接，一种用于音频编解码器。甚至有媒体爆料，苹果AirPods Pro 2也将基于全新SiP封装系统芯片的超强算力支持，以及苹果优异的降噪算法，将为用户提供更为舒适的降噪效果。

从某种意义上说，类似于智能手表、TWS耳机等物联网可穿戴设备已经成为SiP封装方案的典型案例。作为社会的发展趋势，万物智联意味着未来将有更庞杂的终端体系、更多元化的应用场景以及更多样化的交互方式,未来终端电子需要整合的功能将越来越多，如何在体积、功耗等条件限制下实现多功能集成也将成为AIoT行业绕不开的痛点。

在此背景下，SiP技术成为了助推新时代到来的希望，但这并不意味着研发一款SiP就很容易。SiP封装的研发是一个系统性的工程，不仅包含电性能、热性能、机械性能、可靠性等设计，还有材料、工艺的选择，更需要对周期、成本、供应链、风险进行精确的控制，这些都对芯片企业提出了极高的要求。

奉加微作为一家致力于研发世界一流的低功耗射频芯片技术与自主知识产权的通信协议栈的芯片原厂，已取得芯片SiP方案阶段性成果，目前其PHY62系列中已有6227和6229两款芯片使用了SiP封装,可以为AIoT提供灵活、安全、多功能、高性价比的低功耗无线通信芯片和方案。

在奉加微看来，SiP方案不仅可以大幅缩减方案的封装体积，实现超小型设备的智能化，还能够通过集成针对各行业应用的各种不同的传感器、存储器和驱动电路，实现多功能集成，提高方案的性能、可靠性和多样化。更重要的是，SiP方案还能有效降低成本，推动智能设备的普及和大规模商用；并且支持客户的深度化定制方案，提高封装效率，缩短产品上市周期。

图源：奉加微

SiP芯片，物联网应用全面开花

对于物联网产业链而言，SiP集成方案在成为物联网下游终端客户明智之选的同时，自然也成为了物联网上游通信芯片原厂的发力重点。

奉加微PHY6227、PHY6229两款芯片就是在其低功耗核心产品PHY6226的基础上，通过SiP技术，分别合封了G-sensor、Sensor Hub以适配各类低功耗高精度传感器的采样需求。PHY6226是奉加微于2022年推出新一代蓝牙芯片产品，支持BLE 5.2和Zigbee多通信模式共存，集成了超低功耗的高性能多模射频收发机，接收灵敏度达到-99dBm@BLE 1Mbps。

去年7月，奉加微高性能ZigBee 3.0协议栈获得了连接标准联盟 (CSA, 前身ZigBee Alliance)的平台认证，奉加微也因此成为第二家获得CSA Zigbee认证的大陆企业，这意味着奉加微PHY6227、PHY6229芯片皆能够实现基于ZigBee 3.0协议的各项功能。

更重要的是，在合封了不同传感器之后，PHY6227、PHY6229可以在PHY6226原有优势的基础上，结合传感器的优势，分别应对不同的场景和方案。

PHY6227

奉加微电子、阿里云IoT事业部、矽睿科技联合研制的PHY6227作为一款支持BLE 5.2功能的物联网通信芯片，集成ARM Cortex-MO 32位处理器、128KB-8MB闪存、96KB ROM、256位efuse，具备超低功耗、高性能、多模式无线电等多种功能，还可以通过安全性、应用程序和无线下载更新来支持BLE，其串行外设IO和集成应用IP更是能够尽可能降低客户产品的制造成本。

这款芯片的独特之处在于，其具有低噪声、高精度、低功耗和失调调整的三轴加速度计。 在G-Sensor的加持下，PHY6227凭借高集成度的性能已经成功应用于健康穿戴和智慧农业等领域的超轻量级的生物信息监控装置上。

当前，智慧牧场已经成为主流发展趋势，国内大部分规模牧场已经步入数据化、智能化阶段，而数据获取的第一步，就是诸如牛项圈、鸡脚环、猪耳标等养殖检测设备。从这个角度来看，PHY6227的SIP方案有着极大的优势。

一方面，对于农畜牧业养殖设备来说，最重要也是最主要的需求就是设备的超轻量级和超小尺寸，否则就会影响牧畜的正常养殖，更严重者，甚至会影响生命健康，而奉加微PHY6227由于采用了SIP方案，有效减少体积和重量。

另一方面，智慧牧场的本质就在于通过数据统计，掌握饲喂情况，帮助牧场提升管理效益。以牛项圈为例，其主要作用就是用于检测奶牛的活动，计算奶牛运动步数，通过计步器，判定奶牛们的活动轨迹，然后再根据活动轨迹，判断哪头奶牛处于“亢奋状态”，从而进行人工授精。PHY6227合封的G-Sensor就可以在此过程中充分发挥其性能，在主控芯片BLE的驱动下，G-Sensor能够监测牧畜运动量等相关信息并上报云端，实现智能化管理，不仅可以提高牧场管理效率，还能提高动物健康水平。

图源：矽睿科技

当然，除了生物信息监控装置，健康穿戴也是PHY6227的运用领域之一。

随着智能手表、TWS耳机等产品普及度的加深，健康穿戴设备对小型化的要求越来越高，不同工艺的外设、主控、存储和电源进行SiP深度整合，为该需求提供了最优的解决方案。PHY6227采用针对低功耗需求的SoC架构定义，以及超低功耗射频收发机和通信基带，可以实现最低的峰值、平均和休眠功耗，进而保证智能戒指超长时间待机。

总而言之，奉加微PHY6227芯片集成了超轻量级、超小尺寸、高性价比、低功耗、易上手推广等多个优点，可以满足物联网连接设备的诸多要求。

PHY6229

作为奉加微另一款采用SIP方案的芯片，针对物联网传感器的多样性需求，PHY6229提供了低功耗、高精度的Sensor Hub，且Sensor Hub与主控芯片之间可实现相互独立工作，形成双核协调工作，可适配各类家居、工业等无线传感器的应用场景。

众所周知，当前声、光、电、热、力、位置等传感器是物联网SiP实现智能化的主要需求，在高精度低功耗Sensor Hub的助力下，目前PHY6229已经成功运用于交直流计量、健康监测、工业控制等领域。

以家庭健康监测场景为例，集成PHY6229的手指夹式血氧仪支持脉动式血氧测量的LED传输和接收路径，基于智能保留算法和数据校准方案，保证高效率和高精确度的临床测量，可通过BLE连接到智能手机等设备，将信息传输至云端，实现健康数据监控。工业级场景应用下，以PHY6229作为主控芯片的无线温度监控设备具有体积小、功耗低、测温精准、性价比高等优势，通过大面积无线组网实现区块范围内所有设备的操控，即时上传数据实现高温告警，实现智能化管理。

写在最后

当前，中国作为全球最大的物联网市场，IDC最新预测数据显示，中国物联网企业级市场规模将在2026年达到2,940亿美元，复合增长率（CAGR）13.2%。

图源：IDC中国

随着物联网的快速兴起，毫无疑问系统级SiP芯片也将迎来快速发展机遇。奉加微作为一家成熟的物联网通信领域的芯片原厂，根据客户需求提供高质量的深度定制方案，伴随未来芯片性能更强、体积更小的需求，持续深耕SiP封装集成方案，为未来千亿级物联网市场发力蓄能。

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晶圆｜集成电路｜设备｜汽车芯片｜存储｜台积电｜AI｜封装

全面解读SiP

来源：原文来自“System in Package”，作者Paul McLellan；部分内容转载自【EDA365，“超越摩尔之路——SiP简介”】

SiP是组装在同一个封装中的两个或多个不同的芯片。这些芯片可能大不相同，包括微机电系统（MEMS）、传感器、天线和无源元件，以及更显眼的数字芯片、模拟芯片和存储器芯片。唯一例外的是将单个芯片放入封装中——但即使一个封装里面只有一颗片上系统（SoC）也不能称作SiP。这也许有点矛盾，但符合一句格言， “系统级总是最高级” 。

SiP——超越摩尔定律的必然选择路径

摩尔定律确保了芯片性能的不断提升。众所周知，摩尔定律是半导体行业发展的“圣经”。在硅基半导体上，每18个月实现晶体管的特征尺寸缩小一半，性能提升一倍。在性能提升的同时，带来成本的下降，这使得半导体厂商有足够的动力去实现半导体特征尺寸的缩小。这其中，处理器芯片和存储芯片是最遵从摩尔定律的两类芯片。以Intel为例，每一代的产品完美地遵循摩尔定律。在芯片层面上，摩尔定律促进了性能的不断往前推进。

SiP是解决系统桎梏的胜负手。把多个半导体芯片和无源器件封装在同一个芯片内，组成一个系统级的芯片，而不再用PCB板来作为承载芯片连接之间的载体，可以解决因为PCB自身的先天不足带来系统性能遇到瓶颈的问题。以处理器和存储芯片举例，因为系统级封装内部走线的密度可以远高于PCB走线密度，从而解决PCB线宽带来的系统瓶颈。举例而言，因为存储器芯片和处理器芯片可以通过穿孔的方式连接在一起，不再受PCB线宽的限制，从而可以实现数据带宽在接口带宽上的提升。

SiP有多种形式，包括从高端的带硅通孔（TSV）的硅interposer和芯片到低端带引线键合芯片的BGA（就像老一代iPhone中的Ax芯片）。过去，SiP受到一个悖论的限制：如果SiP更便宜，便会有更多人使用它们，但是如果没有大量的量产应用，成本仍然很高。但是移动电子消费品的市场如此之大，动辄上亿，这在一夕之间改变了这种两难境地。

另一个驱动SiP发展的因素是物联网（IoT）。几乎任何物联网设备都包含传感器、计算器件、通信设备（通常是无线的），以及存储器。这些不可能利用同一制程制造，也就无法在同一个芯片上制造，所以在SiP级别进行集成更为可行。物联网的两大驱动因素是传感器成本的降低，以及多芯片封装和模块的低成本。市场容量受到SiP成本的影响，而SiP成本又会影响到市场容量，两者相辅相成。

SiP——为应用而生

主要应用领域： 无线通讯、汽车电子、医疗电子、计算机、军用电子等

德州仪器公司

德州仪器公司的MicroSiP是一个电源设备。尺寸仅为2.9mm x 2.3mm x 1mm，其中包括安装在顶部的电感，以减少电路板空间。

Microsemi公司

Microsemi已将芯片嵌入到基板中，与之前的版本相比，面积减少了400%。它具有很高的可靠性，符合植入式元件的MIL标准。这种方法也适用于其他需要高可靠性的环境，如航空航天、汽车和工业传感领域。在此举一个改进示例——超薄嵌入式芯片，其叠层厚度为0.5mm，模块总高度约为1mm（这是分立元件的极限）。

Apple公司

根据Chipworks的x光分析表明，苹果手表的S1“芯片”实际上是一个SiP，其中包含大约30个集成电路、许多无源元件，除封装本身之外，还有一个ST加速度计/陀螺仪。

AMD公司

AMD的图形处理器用作硅中介层和硅通孔。它在1.011mm2的中介层中心安装了一个595mm2的专用集成电路（ASIC），这个ASIC周围有四个高带宽存储器（HBM）叠层（每个叠层由一个逻辑芯片和四个堆叠在顶部的动态随机存取存储器（DRAM）芯片组成）。互连超过200,000个，包括铜柱凸块和C4凸块。中介层有65,000个直径为10um的硅通孔。

索尼公司

CMOS图像传感器（CIS）的最先进技术不是像过去那样将图像传感器的正面暴露在光线下，而是将图像传感器变薄，使其对光线透明，然后将其翻转到下方的图像传感器处理器（ISP）芯片上，因此不再需要任何TSV。传感器接收到的光穿过变薄的芯片背面。

索尼已在三层堆叠结构上更进一步。顶部是图像传感器，中间是DRAM层，底部是ISP（图像信号处理器）。来自图像传感器的信号实际上直接通过DRAM层到达处理器，然后返回存储器。这是第一个使用晶圆接合的商业化三层堆叠结构。实际上，它用在了一款高端手机上，即索尼Experia XZ，这款手机于2017年2月在MWC（世界移动通信大会）大会上推出。图像传感器和（DRAM）的厚度减薄到了2.6um！几十年前，这是晶体管的大小。

索尼不仅是图像传感器领域的领先者，在包括苹果手机在内的大多数高端手机领域也是如此。索尼在2017年推出的这款手机能达到960fps，已经相当令人惊艳了。

诺基亚公司

诺基亚SiP适用于企业路由器，因此不属于像移动设备这样对成本非常敏感的市场。它的处理速度可达100TB/s甚至更高。含有22个芯片，其中包括定制存储器。整个路由器的尺寸与游戏机相当，却可以同时处理令人难以置信的视频流（Netflix、YouTube等）。

为智能手机量身定制

SiP在无线通信领域的应用最早，也是应用最为广泛的领域。在无线通讯领域，对于功能传输效率、噪声、体积、重量以及成本等多方面要求越来越高，迫使无线通讯向低成本、便携式、多功能和高性能等方向发展。SiP是理想的解决方案，综合了现有的芯核资源和半导体生产工艺的优势，降低成本，缩短上市时间，同时克服了SOC中诸如工艺兼容、信号混合、噪声干扰、电磁干扰等难度。手机中的射频功放，集成了射频功放、功率控制及收发转换开关等功能，完整的在SiP中得到了解决。

手机轻薄化带来SiP需求增长。手机是SiP封装最大的市场。随着智能手机越做越轻薄，对于SiP的需求自然水涨船高。从2011-2015年，各个品牌的手机厚度都在不断缩减。轻薄化对组装部件的厚度自然有越来越高的要求。以iphone 6s为例，已大幅缩减PCB的使用量，很多芯片元件都会做到SiP模块里，而到了iPhone8，有可能是苹果第一款全机采用SiP的手机。这意味着，iPhone8一方面可以做得更加轻薄，另一方面会有更多的空间容纳其他功能模块，比如说更强大的摄像头、扬声器，以及电池。

苹果手表应用的技术最为先进。在尺寸26mm x 28mm的封装中含有许多器件。手表对尺寸的严格约束意味着不使用SiP技术就不可能构建整个系统。下图是苹果手表的电路板，可以更清晰的了解该级别的设计：

触控芯片。在Iphone6中，触控芯片有两颗，分别由Broadcom和TI提供，而在6S中，将这两颗封在了同一个package内，实现了SiP的封装。而未来会进一步将TDDI整个都封装在一起。iPhone6s中展示了新一代的3D Touch技术。触控感应检测可以穿透绝缘材料外壳，通过检测人体手指带来的电压变化，判断出人体手指的触摸动作，从而实现不同的功能。而触控芯片就是要采集接触点的电压值，将这些电极电压信号经过处理转换成坐标信号，并根据坐标信号控制手机做出相应功能的反应，从而实现其控制功能。3D Touch的出现，对触控模组的处理能力和性能提出了更高的要求，其复杂结构要求触控芯片采用SiP组装，触觉反馈功能加强其操作友好性。

指纹识别同样采用了SiP封装。将传感器和控制芯片封装在一起，从iPhone 5开始，就采取了相类似的技术。

快速增长的SiP市场

市场规模 & 渗透率迅速提升

2013-2016年SiP市场复合年均增长率为15%。2016年全球SiP产值约为64.94亿美元，较2015年成长17.4%左右；在智慧型手机出货量持续高位，以及Apple Watch 等穿戴式产品问世下，全球SiP产值估计将继续增长。

以2016-2018年为周期，我们来计算SiP在智能手机市场三年内的市场规模。假设SiP的单价每年降价10%，智能手机出货量年增3%。可以看到，SiP在智能手机中的新增市场规模的复合年均增长率为192%, 非常可观。

从制造到封测——逐渐融合的SiP产业链

从产业链的变革、产业格局的变化来看，今后电子产业链将不再只是传统的垂直式链条：终端设备厂商——IC设计公司——封测厂商、Foundry厂、IP设计公司，产品的设计将同时调动封装厂商、基板厂商、材料厂、IC设计公司、系统厂商、Foundry厂、器件厂商（如TDK、村田）、存储大厂（如三星）等彼此交叉协作，共同实现产业升级。未来系统将带动封装业进一步发展，反之高端封装也将推动系统终端繁荣。未来系统厂商与封装厂的直接对接将会越来越多，而IC设计公司则将可能向IP设计或者直接出售晶圆两个方向去发展。

由于封测厂几乎难以向上游跨足晶圆代工领域，而晶圆代工厂却能基于制程技术优势跨足下游封测代工，尤其是在高阶SiP领域方面；因此，晶圆代工厂跨入SiP封装业务，将与封测厂从单纯上下游合作关系，转向微妙的竞合关系。

封测厂一方面可朝差异化发展以区隔市场，另一方面也可选择与晶圆代工厂进行技术合作，或是以技术授权等方式，搭配封测厂庞大的产能基础进行接单量产，共同扩大市场。此外，晶圆代工厂所发展的高阶异质封装，其部分制程步骤仍须专业封测厂以现有技术协助完成，因此双方仍有合作立基点。

总结

SiP促成了许多产品的实现，尤其是：

手机、平板、笔记本

固态硬盘（SSD）

物联网（IoT）设备

汽车安全系统，包括雷达

医用可穿戴设备

高性能计算（HPC）系统

其中，主要的驱动因素便是性能和外形。但对低成本解决方案的需求推动了新封装设计的采用，这些因素缺一不可。此外，经济和商业决策也是一个很大的驱动因素，有时还有技术性能方面的考虑（例如70GHz雷达）。

随着摩尔定律这一趋势减缓，而最先进的工艺不再适用于许多模拟或射频设计，SiP会成为首选的集成方法之一，集成是“超越摩尔定律”的一个关键方面，而SiP将在不单纯依赖半导体工艺的面积缩放的情况下，实现更高的集成度。

SiP代表了行业的发展方向：芯片发展从一味追求功耗下降及性能提升（摩尔定律），转向更加务实的满足市场的需求（超越摩尔定律），SiP是实现的重要路径。SiP从终端电子产品角度出发，不再一味关注芯片本身的性能/功耗，而去实现整个终端电子产品的轻薄短小、多功能、低功耗等特性；在行动装置与穿戴装置等轻巧型产品兴起后，SiP的重要性日益显现。

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