系统级封装（SiP）在新能源汽车领域的应用

一、概述

随着新能源汽车智能化进程的加速，为满足车载多样化功能的需求，车载电子系统的复杂性正在不断提高。在此发展过程中，受限于车辆布置空间、载重等方面的限制，同时为进一步确保数据信号传输的安全/有效性，业内通过将分布式电子电气架构以集成的方式向域/跨域/区域/中央集成等方向发展。

随着系统集成度的提升，对控制单元的硬件设计及成本提出了新的要求，在此背景下，如SOC（system on chip，片上系统）、SiP（system in package，系统级封装）等高集成的半导体解决方案被提出。这其中，由于SiP技术可通过将多个具有不同功能的裸芯片集成在一个封装内，此过程无需采用统一的芯片制程技术，这不仅提高了系统的集成度和性能，还可显著减少PCB板面积和元件数量，为降低设计和制造成本起到了关键作用。为进一步加深对SiP技术的了解，本文主要对SiP技术的特性进行讨论。

图1 SiP IC

二、SiP技术背景

2.1 发展历程

SiP技术起源于20世纪90年代，最初主要用于消费电子领域，伴随着技术的不断进步，SiP方案开始扩展到更多领域。近年来，随着新能源汽车市场的快速增长，行业对高性能芯片的应用需求得以提升，基于此SiP技术在汽车电子中的应用也正越来越广泛。

图2 SiP技术发展历程

2.2驱动因素

在新能源汽车的应用中，随着自动驾驶、车联网等技术的发展，车端对电子系统的性能提出了更高的要求，同时出于在系统集成化过程中为降低硬件设计及制造成本从而提升产品的市场竞争力考虑，并在此过程中可形成顺应车载电子系统往小型化、轻量化方向发展的趋势的应用背景，具有可模块化、快速迭代特性的SiP技术开始在车载领域被推广。

图3 SiP技术在新能源汽车领域发展的驱动因素

三、SiP技术原理

3.1.基本原理

SIP 方案是指将多个具有不同功能的裸芯片（如微处理器、存储器、模拟电路等）及相关电路通过多芯片垂直堆叠等形式，采用细间距焊球、微凸点等技术去实现芯片间的高速互连，最后通过如塑封料、陶瓷基板等高性能封装材料将其进行封装，从而形成一个完整的、高密度集成的系统。

图4 SiP IC集成不同功能元件

由于IC产品体积较小，因此在系统集成过程中对于如电感、直插式电阻等具有较大体积的元件则通常不进行集成。同时为了方便SiP IC运行时的热量控制，集成可分为：无源芯片集成、有源芯片集成以及混合集成。

无源芯片集成：指不对如电源管理类可产生较大热量的芯片进行集成；

有源芯片集成：将原本分散且独立的有源芯片集成为一个整体，同时特别关注热管理的设计，如使用散热片、高导热材料等设计方案，以确保SiP IC具有足够的散热措施；

混合集成：在条件允许的前提下，将部分有源芯片与无源芯片集成，同时考虑、EMI、EMC、热管理等设计。

3.2.在新能源汽车上的应用特性

1）高集成度：如上所述，SiP技术是通过将多个功能模块集成在一个封装内，这显著减少了PCB板上的占用空间。

图5 高度集成的BMS减少了PCB空间

2）高性能表现：与传统硬件方案相比，由于芯片之间的距离缩短了，这使得信号间的传输路径变短，有助于减少电磁干扰和信号衰减，从而提高系统的稳定性和效率。

3）简化设计：在SiP技术的应用中，使得外部元件的数量显著减少，这简化了PCB设计，降低设计复杂度，缩短开发周期，可在新能源汽车的应用中实现快速的设计迭代和产品升级。

4）高可靠性：由于集成的设计减少了外部连接点，这降低了故障率，提高了系统的整体可靠性。

5）前期设计周期长：SiP技术的应用涉及芯片的重新开发，与SOC的应用方式类似，在进入量产前需进行长时间的验证与试验工作，且产品具有一定的定制化属性。

四、与SoC方案的差异

表1 SiP与SOC方案对比

维度SiPSoC定义将多个具有不同功能的裸芯片集成在一个封装内，形成一个完整的系统。将整个系统的所有功能集成在一个单一的芯片上，实现高度的集成和优化。集成度较高当下最高设计灵活性较高，可根据需要选择不同的芯片进行组合，便于模块化设计和快速迭代。较低，一旦设计完成，难以进行修改和升级成本相对低高性能较好最优开发周期较短，可利用现有的成熟芯片进行快速集成和测试。较长，需从头设计和验证所有功能模块。适用场景适用于需要快速开发和迭代的应用适用于高性能、高可靠性的应用信号完整性较好最优可靠性较高，减少外部连接点，降低故障率非常高，集成度高，内部连接更可靠标准化较容易实现模块化和标准化设计标准化难度较大设计复杂度中等，可以利用现有芯片进行快速集成。较高，需要从头设计和验证所有功能模块，设计复杂度高。

五、应用案例

从消费类领域到车载领域，SiP IC和SoC IC已成为了产品小型化发展应用的关键，尤其对于器件布置空间更为狭小的手机等产品而言，SoC可实现更小的体积，但该技术的应用需要采用先进制程工艺。而相对而言，在车载应用中，产品的布置空间较为宽裕，此时可采用对先进制程不那么依赖的SiP IC方案来降低成本。

1）Apple Watch通过SiP技术的应用，集成了超过20个芯片和800多个元器件，与上一代产品相比，元件数量减少了约56%。

2）在手机的应用中，通过将射频模块和电源管理模块采用SiP技术，让元件数量减少30%以上。

3）特斯拉Model S的BMS采用SiP技术，将电池管理芯片、通信芯片、部分传感器等集成在一起，让PCB占用空间减少30%以上，实现电控单元的高密度集成和高效管理。

4）为顺应产品的发展趋势，我们在高效増程系统的应用中，将ECU节点采用SiP技术重新开发新一代微型ECU产品。经初步评估，元器件可减少约70%，体积相较于现版本减少至少50%，同时GCU节点同样将采用SiP技术来缩小体积，并将其与ECU集成。该部分工作目前正在进行中。

六、总结

SiP技术通过将多个功能模块集成在一个封装内，可显著提高电子系统的集成度和性能，同时还简化了设计、降低了成本、提高了产品迭代周期，是车载领域对于高性能芯片在先进制程不受制于人的关键路线之一。 

来源：觉知汽车