一、概述

隨著新能源汽車智能化進(jìn)程的加速，為滿足車載多樣化功能的需求，車載電子系統(tǒng)的復(fù)雜性正在不斷提高。在此發(fā)展過程中，受限于車輛布置空間、載重等方面的限制，同時(shí)為進(jìn)一步確保數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)陌踩?有效性，業(yè)內(nèi)通過將分布式電子電氣架構(gòu)以集成的方式向域/跨域/區(qū)域/中央集成等方向發(fā)展。

隨著系統(tǒng)集成度的提升，對(duì)控制單元的硬件設(shè)計(jì)及成本提出了新的要求，在此背景下，如SOC（system on chip，片上系統(tǒng)）、SiP（system in package，系統(tǒng)級(jí)封裝）等高集成的半導(dǎo)體解決方案被提出。這其中，由于SiP技術(shù)可通過將多個(gè)具有不同功能的裸芯片集成在一個(gè)封裝內(nèi)，此過程無需采用統(tǒng)一的芯片制程技術(shù)，這不僅提高了系統(tǒng)的集成度和性能，還可顯著減少PCB板面積和元件數(shù)量，為降低設(shè)計(jì)和制造成本起到了關(guān)鍵作用。為進(jìn)一步加深對(duì)SiP技術(shù)的了解，本文主要對(duì)SiP技術(shù)的特性進(jìn)行討論。

圖1 SiP IC

二、SiP技術(shù)背景

2.1 發(fā)展歷程

SiP技術(shù)起源于20世紀(jì)90年代，最初主要用于消費(fèi)電子領(lǐng)域，伴隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，SiP方案開始擴(kuò)展到更多領(lǐng)域。近年來，隨著新能源汽車市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)，行業(yè)對(duì)高性能芯片的應(yīng)用需求得以提升，基于此SiP技術(shù)在汽車電子中的應(yīng)用也正越來越廣泛。

圖2 SiP技術(shù)發(fā)展歷程

2.2驅(qū)動(dòng)因素

在新能源汽車的應(yīng)用中，隨著自動(dòng)駕駛、車聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，車端對(duì)電子系統(tǒng)的性能提出了更高的要求，同時(shí)出于在系統(tǒng)集成化過程中為降低硬件設(shè)計(jì)及制造成本從而提升產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力考慮，并在此過程中可形成順應(yīng)車載電子系統(tǒng)往小型化、輕量化方向發(fā)展的趨勢(shì)的應(yīng)用背景，具有可模塊化、快速迭代特性的SiP技術(shù)開始在車載領(lǐng)域被推廣。

圖3 SiP技術(shù)在新能源汽車領(lǐng)域發(fā)展的驅(qū)動(dòng)因素

三、SiP技術(shù)原理

3.1.基本原理

SIP 方案是指將多個(gè)具有不同功能的裸芯片（如微處理器、存儲(chǔ)器、模擬電路等）及相關(guān)電路通過多芯片垂直堆疊等形式，采用細(xì)間距焊球、微凸點(diǎn)等技術(shù)去實(shí)現(xiàn)芯片間的高速互連，最后通過如塑封料、陶瓷基板等高性能封裝材料將其進(jìn)行封裝，從而形成一個(gè)完整的、高密度集成的系統(tǒng)。

圖4 SiP IC集成不同功能元件

由于IC產(chǎn)品體積較小，因此在系統(tǒng)集成過程中對(duì)于如電感、直插式電阻等具有較大體積的元件則通常不進(jìn)行集成。同時(shí)為了方便SiP IC運(yùn)行時(shí)的熱量控制，集成可分為：無源芯片集成、有源芯片集成以及混合集成。

無源芯片集成：指不對(duì)如電源管理類可產(chǎn)生較大熱量的芯片進(jìn)行集成；

有源芯片集成：將原本分散且獨(dú)立的有源芯片集成為一個(gè)整體，同時(shí)特別關(guān)注熱管理的設(shè)計(jì)，如使用散熱片、高導(dǎo)熱材料等設(shè)計(jì)方案，以確保SiP IC具有足夠的散熱措施；

混合集成：在條件允許的前提下，將部分有源芯片與無源芯片集成，同時(shí)考慮、EMI、EMC、熱管理等設(shè)計(jì)。

3.2.在新能源汽車上的應(yīng)用特性

1）高集成度：如上所述，SiP技術(shù)是通過將多個(gè)功能模塊集成在一個(gè)封裝內(nèi)，這顯著減少了PCB板上的占用空間。

圖5 高度集成的BMS減少了PCB空間

2）高性能表現(xiàn)：與傳統(tǒng)硬件方案相比，由于芯片之間的距離縮短了，這使得信號(hào)間的傳輸路徑變短，有助于減少電磁干擾和信號(hào)衰減，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。

3）簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)：在SiP技術(shù)的應(yīng)用中，使得外部元件的數(shù)量顯著減少，這簡(jiǎn)化了PCB設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度，縮短開發(fā)周期，可在新能源汽車的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)快速的設(shè)計(jì)迭代和產(chǎn)品升級(jí)。

4）高可靠性：由于集成的設(shè)計(jì)減少了外部連接點(diǎn)，這降低了故障率，提高了系統(tǒng)的整體可靠性。

5）前期設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)：SiP技術(shù)的應(yīng)用涉及芯片的重新開發(fā)，與SOC的應(yīng)用方式類似，在進(jìn)入量產(chǎn)前需進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的驗(yàn)證與試驗(yàn)工作，且產(chǎn)品具有一定的定制化屬性。

四、與SoC方案的差異

表1 SiP與SOC方案對(duì)比

維度SiPSoC定義將多個(gè)具有不同功能的裸芯片集成在一個(gè)封裝內(nèi)，形成一個(gè)完整的系統(tǒng)。將整個(gè)系統(tǒng)的所有功能集成在一個(gè)單一的芯片上，實(shí)現(xiàn)高度的集成和優(yōu)化。集成度較高當(dāng)下最高設(shè)計(jì)靈活性較高，可根據(jù)需要選擇不同的芯片進(jìn)行組合，便于模塊化設(shè)計(jì)和快速迭代。較低，一旦設(shè)計(jì)完成，難以進(jìn)行修改和升級(jí)成本相對(duì)低高性能較好最優(yōu)開發(fā)周期較短，可利用現(xiàn)有的成熟芯片進(jìn)行快速集成和測(cè)試。較長(zhǎng)，需從頭設(shè)計(jì)和驗(yàn)證所有功能模塊。適用場(chǎng)景適用于需要快速開發(fā)和迭代的應(yīng)用適用于高性能、高可靠性的應(yīng)用信號(hào)完整性較好最優(yōu)可靠性較高，減少外部連接點(diǎn)，降低故障率非常高，集成度高，內(nèi)部連接更可靠標(biāo)準(zhǔn)化較容易實(shí)現(xiàn)模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化難度較大設(shè)計(jì)復(fù)雜度中等，可以利用現(xiàn)有芯片進(jìn)行快速集成。較高，需要從頭設(shè)計(jì)和驗(yàn)證所有功能模塊，設(shè)計(jì)復(fù)雜度高。

五、應(yīng)用案例

從消費(fèi)類領(lǐng)域到車載領(lǐng)域，SiP IC和SoC IC已成為了產(chǎn)品小型化發(fā)展應(yīng)用的關(guān)鍵，尤其對(duì)于器件布置空間更為狹小的手機(jī)等產(chǎn)品而言，SoC可實(shí)現(xiàn)更小的體積，但該技術(shù)的應(yīng)用需要采用先進(jìn)制程工藝。而相對(duì)而言，在車載應(yīng)用中，產(chǎn)品的布置空間較為寬裕，此時(shí)可采用對(duì)先進(jìn)制程不那么依賴的SiP IC方案來降低成本。

1）Apple Watch通過SiP技術(shù)的應(yīng)用，集成了超過20個(gè)芯片和800多個(gè)元器件，與上一代產(chǎn)品相比，元件數(shù)量減少了約56%。

2）在手機(jī)的應(yīng)用中，通過將射頻模塊和電源管理模塊采用SiP技術(shù)，讓元件數(shù)量減少30%以上。

3）特斯拉Model S的BMS采用SiP技術(shù)，將電池管理芯片、通信芯片、部分傳感器等集成在一起，讓PCB占用空間減少30%以上，實(shí)現(xiàn)電控單元的高密度集成和高效管理。

4）為順應(yīng)產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)，我們?cè)诟咝埑滔到y(tǒng)的應(yīng)用中，將ECU節(jié)點(diǎn)采用SiP技術(shù)重新開發(fā)新一代微型ECU產(chǎn)品。經(jīng)初步評(píng)估，元器件可減少約70%，體積相較于現(xiàn)版本減少至少50%，同時(shí)GCU節(jié)點(diǎn)同樣將采用SiP技術(shù)來縮小體積，并將其與ECU集成。該部分工作目前正在進(jìn)行中。

六、總結(jié)

SiP技術(shù)通過將多個(gè)功能模塊集成在一個(gè)封裝內(nèi)，可顯著提高電子系統(tǒng)的集成度和性能，同時(shí)還簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)、降低了成本、提高了產(chǎn)品迭代周期，是車載領(lǐng)域?qū)τ诟咝阅苄酒谙冗M(jìn)制程不受制于人的關(guān)鍵路線之一。