SiP
半導体分野における集積技術の一つであるSiPは、複数のチップや受動部品などを一つのパッケージ内に統合することで、小型化や高性能化を同時に実現する手法である。従来の単一チップパッケージでは達成しにくかった高度な機能を限られたスペースに収めることができ、デバイスの高密度化に寄与する特徴を持つ。これはスマートフォンやウェアラブル機器などのモバイル製品だけでなく、自動車部品や産業用機器など幅広い分野に活用されており、次世代エレクトロニクスの要となる技術として注目されている。
定義と特徴
一般的にSiP（System in Package）は複数の半導体ダイや受動素子、さらにはメモリや電源回路などを一体化して、機能ブロックをまとめて実装するアプローチを指す。単一のパッケージに複数のチップを収められるため、実装面積を削減しながら多機能化を促進できる利点がある。また、パッケージ内部でインターコネクションを最適化できるため信号遅延や電力損失を低減することが可能であり、高周波回路や高帯域幅を必要とする用途においても優位性が高い。ただし構造が複雑になるぶん設計や実装プロセスの難易度は高まり、実装工程における熱対策や歩留まり管理などの課題も大きい。
基本構成
強固な機能統合を実現するSiPの基本構成は、複数のダイを1枚の基板もしくはサブストレート上に搭載し、必要な受動素子やコネクタなどを内包させる形で組み立てるものである。ダイ同士はワイヤーボンディングや再配線層を用いたフリップチップ接続、または3D積層など多様な方法で相互接続される。さらにサブストレートは配線用の層構成を持ち、電源線や信号線、グラウンド層などを適切に設計して複雑な回路を実現することが可能である。封止にはモールド樹脂やメタルキャップなどが用いられ、小型かつ堅牢なパッケージを形成する。
製造プロセス
従来の半導体パッケージングと比較すると、SiPの製造プロセスはより多段階かつ高度な設備を要する。まずウェーハ段階で複数のダイを製造し、ダイのテストと切り出しを行う。その後、基板への実装工程でワイヤーボンディングやフリップチップなど接続方式に応じた実装手法を適用し、必要に応じて追加の部品を組み込む。さらに封止工程ではモールドやカバーなどを装着し、密閉性と信頼性を確保する。その後の最終テストでは各機能ブロックが設計通りに動作するかを検証し、量産効果と歩留まりをバランスさせながら高品質を確保するのである。
エレクトロニクスへの応用
モバイル機器やウェアラブルデバイスが市場の中心となった今日、SiPの利点はとりわけ顕著である。省スペース化や軽量化を求められるスマートフォンでは、RF回路やメモリ、電源管理ICを一体化することで基板面積を削減しながら高性能化を実現できる。ウェアラブル向けでは限られたスペースに多機能センサーや通信モジュールを組み込み、ユーザー体験を向上させる。またIoT分野では、センサーと無線通信ICを一括にまとめることにより、データ収集と送受信を一体化した高集積モジュールが実現されている。このように多彩な用途に対応できる点がSiPの大きな魅力である。
設計上の課題
高密度化が進むSiPでは、チップ間や層間の配線設計が極めて複雑になる。インピーダンス制御やクロストークの抑制など、広帯域かつ低ノイズが求められる状況では厳密なシミュレーションとプロトタイプ評価が不可欠である。また放熱設計も大きな課題であり、パッケージ内部に発生する熱を効率よく外部へ排出しないと性能劣化や故障リスクが高まる。さらに多段階の実装工程を経るため、各ステップでの歩留まり管理が難しく、コスト増大につながる可能性もある。したがって市場ニーズに合わせて最適な材料選定や実装技術を駆使し、高い信頼性と生産効率を両立させる必要がある。