Método de encapsulamento de circuitos integrados
System in a package (SiP) |
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| System in a package (SiP) |
Esquema arquitetural conceitual em 3D exibindo múltiplos dies distintos de circuitos integrados contidos em um único encapsulamento estrutural. |
| Visão geral |
| Tipo de tecnologia |
Encapsulamento avançado de semicondutores |
| Também conhecido como |
SiP, integração heterogênea, módulo de CI |
| Estrutura comum |
Múltiplos circuitos integrados empilhados ou posicionados lado a lado sobre um único substrato |
| Engenharia e interconexões |
| Vias die-a-die |
TSVs, soldagem por fios (wire bonding), microesferas de solda flip-chip ou camadas de redistribuição (RDL) |
| Materiais de substrato |
Interpositores de silício, cerâmica, laminados orgânicos de alta densidade |
| Componentes incluídos |
Processadores, RAM, memória flash, transceptores de RF e passivos integrados (capacitores/resistores) |
| Taxonomia arquitetural |
| Contraste principal |
Diferentemente de um sistema em um chip (SoC), utiliza dies separados em vez de compartilhar um único die monolítico de silício. |
| Variantes de empilhamento |
2D lado a lado, 2.5D (baseado em interpositor), empilhamento vertical 3D de dies e Package-on-Package (PoP) |
| Vantagens e limitações |
| Principais benefícios |
Miniaturização radical, capacidade de combinar diferentes nós de processo (ex.: lógica em 3 nm com RF maduro) e menor custo inicial de projeto. |
| Principais desafios |
Dissipação térmica complexa, testes elétricos multidie complexos e vulnerabilidade a falhas de rendimento nulo se um único die encapsulado estiver defeituoso. |
Na engenharia de computação, um sistema em um encapsulamento ou sistema em encapsulamento (do inglês system in a package ou system in package, abreviado como SiP) é um tipo de encapsulamento de circuitos integrados no qual múltiplos circuitos integrados (CIs) são acondicionados em um único suporte de chip. Um SiP pode incluir um substrato de encapsulamento de CI que pode conter componentes passivos e desempenhar as funções de um sistema eletrônico completo. Os CIs podem ser empilhados por meio de empilhamento de dies ou package on package, posicionados lado a lado (módulo multichip, MCM) e/ou embutidos diretamente no substrato. O SiP realiza todas ou a maioria das funções de um sistema eletrônico, sendo tipicamente utilizado no desenvolvimento de componentes para telefones celulares, reprodutores digitais de música, entre outros dispositivos. Os dies que contêm circuitos integrados podem ser empilhados verticalmente sobre o substrato do encapsulamento. Eles são interconectados internamente por fios finos soldados (wire bonding) ao substrato. Alternativamente, com a tecnologia de chip invertido (flip chip), microesferas de solda são utilizadas para unir os chips empilhados entre si e ao substrato do invólucro, podendo-se inclusive combinar ambas as técnicas em um mesmo encapsulamento. Os SiPs assemelham-se aos sistemas em um chip (SoCs), porém com menor densidade de integração física e sem estarem reunidos em um único die semicondutor monolítico.
Os SiPs podem ser empregados tanto para reduzir as dimensões físicas de um sistema quanto para elevar o desempenho ou baratear os custos de produção. Algumas definições técnicas de SiP excluem arranjos que recorram exclusivamente à tecnologia bidimensional de MCM.
Tecnologia
Os dies de um SiP podem ser empilhados verticalmente ou dispostos horizontalmente no plano, recorrendo a técnicas como chiplets ou encapsulamento em mosaico (quilt packaging). Os SiPs conectam os dies por meio de conexões convencionais fora da pastilha, tais como ligações por fios metálicos ou esferas de solda, diferindo dos circuitos integrados tridimensionais (3D-ICs) ligeiramente mais densos, que interligam dies de silício sobrepostos por meio de condutores que atravessam verticalmente o substrato através de vias através do silício (TSVs). Uma ampla variedade de métodos de encapsulamento tridimensional foi desenvolvida com o intuito de empilhar múltiplos dies padronizados em uma área compacta.
Um SiP pode acomodar diversos chips ou dies — como um processador especializado, módulos de DRAM e memória flash — combinados com componentes passivos — tais como resistores e capacitores —, todos montados sobre um mesmo substrato. Isso viabiliza a construção de uma unidade funcional completa em um único encapsulamento, demandando poucos componentes externos adicionais para operar. Essa característica revela-se especialmente vantajosa em ambientes com restrições severas de espaço físico, a exemplo de reprodutores de MP3 e telefones celulares, dado que atenua a complexidade da placa de circuito impresso e do leiaute global do dispositivo. Não obstante esses benefícios, a técnica reduz o rendimento fabril geral, uma vez que a presença de um único die defeituoso no conjunto inutiliza todo o circuito integrado encapsulado, ainda que todos os demais módulos reunidos no mesmo invólucro estejam plenamente funcionais.
Os SiPs contrastam com a arquitetura convencional de circuitos integrados do tipo sistema em um chip (SoC), a qual reúne múltiplos componentes funcionais em um único die semicondutor contínuo. Um SoC agrega tipicamente uma CPU, controladores de gráficos e interfaces de memória, controladores de conectividade de disco rígido e USB, memórias voláteis e não voláteis, além de subsistemas de armazenamento secundário e suas respectivas controladoras no mesmo silício. Em contrapartida, um SiP conecta esses mesmos módulos na forma de componentes discretos dispostos em um ou mais invólucros ou dies. Um SiP assemelha-se estruturalmente à arquitetura tradicional de um computador pessoal baseada em placa-mãe, uma vez que separa os componentes de acordo com sua função e os interconecta por meio de uma placa de interface centralizadora. Dessa forma, o SiP exibe um grau de integração física inferior ao de um SoC. Circuitos integrados híbridos (HICs) guardam certas semelhanças com os SiPs; contudo, costumam processar sinais analógicos, enquanto os SiPs operam prioritariamente com sinais digitais. Em virtude disso, os HICs recorrem a processos construtivos anteriores ou de menor complexidade (utilizando substratos de camada única, dispensando o empilhamento de dies, não empregando conexões do tipo flip-chip ou encapsulamento BGA para interligar dies, valendo-se unicamente de wire bonding para acoplar os dies ou invólucros SOIC e utilizando formatos DIP ou SIP para interfacear externamente o módulo em vez de matrizes de esferas BGA).
Soluções em SiP podem demandar múltiplas tecnologias de encapsulamento de circuitos integrados, tais como flip chip, wire bonding, encapsulamento em nível de wáfer (WLP), vias através do silício (TSVs), arquiteturas em chiplets, entre outras modalidades.
Aplicações
Computação móvel
A difusão da tecnologia SiP decorre fundamentalmente de tendências pioneiras de mercado no setor de dispositivos vestíveis, aparelhos móveis e internet das coisas (IoT), segmentos que prescindem dos volumes massivos de produção característicos do mercado maduro de SoCs comerciais e de consumo. À medida que a internet das coisas expande sua presença no segmento de SiPs, o avanço nos leiautes de encapsulamento viabiliza a integração de sensores microeletromecânicos (MEMS) em dies separados, gerenciando autonomamente suas conexões de sinal.
Computadores pessoais
SiPs voltados a computadores de mesa integram, de modo geral, a CPU, o controlador de memória primária, barramentos de entrada e saída de alta velocidade (PCIe, USB3, USB4) e, ocasionalmente, núcleos gráficos integrados. Elementos de armazenamento secundário, tais como a memória de trabalho do sistema e unidades de disco, permanecem instalados separadamente na placa-mãe.
Processadores de mesa da AMD baseados na microarquitetura Zen 2 e posteriores adotam projetos estruturados em módulos multichip (MCM). Nessas implementações, o die da CPU gerencia diretamente suas próprias pistas PCIe e canais USB3, bem como as saídas de vídeo em modelos equipados com GPU embutida. Barramentos de menor velocidade de transferência — a exemplo de faixas PCIe suplementares, controladores SATA, portas USB convencionais e conexões seriais como SPI e SMBus — continuam a ser coordenados por um circuito auxiliar de suporte (chipset), que atua fisicamente como um periférico PCIe conectado ao processador.
Processadores móveis da Intel, a começar pelas linhas de ultrabaixo consumo baseadas na arquitetura Haswell e estendendo-se às versões móveis da arquitetura Skylake, também passaram a adotar a concepção em SiP. Esses componentes disponibilizam diretamente pistas PCIe, além de canais SATA, barramentos USB e saídas de áudio em alta definição (HDA) a partir de controladores internos dedicados, além de pinos de sinalização serial SPI, I²C, UART e GPIO voltados ao sensoriamento. Da mesma forma que processadores desenhados para comunicação com PCH convencional, eles expõem conexões diretas DisplayPort, barramentos de memória RAM e linhas SMBus. Contudo, a presença de um regulador de tensão totalmente integrado (FIVR) permaneceu ausente até a geração Cannon Lake.
