圖1、SiP器件：彌補(bǔ)差異，實(shí)現(xiàn)從參考原型板到可大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品系統(tǒng)

　　如果你有一個(gè)驚人的，創(chuàng)新的產(chǎn)品的想法，那么設(shè)計(jì)一個(gè)快速的驗(yàn)證原型不是挑戰(zhàn)。而工程師面臨的挑戰(zhàn)是完成一個(gè)高可量產(chǎn)性，高質(zhì)量，高價(jià)值的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

　　市場(chǎng)上充斥著具有無(wú)線通信，高性能處理器，高速存儲(chǔ)器，電源管理系統(tǒng)和復(fù)雜模擬外設(shè)等功能的評(píng)估和開(kāi)發(fā)單板板。此外，還有許多開(kāi)源社區(qū)和大量可用的參考代碼，可以幫助設(shè)計(jì)工程師在優(yōu)化產(chǎn)品功能的同時(shí)縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。

　　圖2、SiP技術(shù)讓Moore定理持續(xù)有效

　　然而，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要把眼光放在原型之上，看看如何將其轉(zhuǎn)換成可銷售的產(chǎn)品。從原型到有生產(chǎn)價(jià)值的設(shè)計(jì)的路徑并不像人們所期望的那么簡(jiǎn)單。當(dāng)設(shè)計(jì)和制造商業(yè)產(chǎn)品時(shí)，早期的關(guān)于組件的決策可以節(jié)省大量的機(jī)會(huì)成本。

　　驗(yàn)證原型后的產(chǎn)品化：留意差異

　　一旦原型完成，嵌入式設(shè)計(jì)工程師面臨的挑戰(zhàn)就是如何快速將原型轉(zhuǎn)換為商業(yè)產(chǎn)品。這需要生成一套可以在產(chǎn)品尺寸和機(jī)械設(shè)計(jì)約束條件下可大批量生產(chǎn)制造的原理圖和PCB布局。

　　圖3、SiP設(shè)計(jì)舉例：SiP幫助縮小電路面積

　　圖4、上述SiP電路的內(nèi)部架構(gòu)

　　快速的答案是轉(zhuǎn)向驗(yàn)證開(kāi)發(fā)板的在線規(guī)格，并將其作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)來(lái)開(kāi)始研發(fā)，對(duì)吧?

　　不幸的是，當(dāng)使用開(kāi)發(fā)板作為參考設(shè)計(jì)時(shí)，嵌入式設(shè)計(jì)人員可能并不了解在商業(yè)產(chǎn)品中復(fù)制該設(shè)計(jì)的某些缺陷。首先，并不是所有的開(kāi)發(fā)板都有開(kāi)放的原理圖和布局。其次，小公司可能難以為他們的生產(chǎn)設(shè)計(jì)采購(gòu)部件，因?yàn)樗麄兛赡苓_(dá)不到最低產(chǎn)量要求。即使部件是可以獲得的，并且參考文件可以免費(fèi)獲得，但是開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤和低效率通常也會(huì)轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)系統(tǒng)中。再加上復(fù)雜的布局所需的時(shí)間和工程技能，大量的人才可能會(huì)浪費(fèi)在對(duì)最終產(chǎn)品沒(méi)有多大價(jià)值的問(wèn)題上。

　　圖5、SiP器件的設(shè)計(jì)流圖

　　例如，大多數(shù)連接的嵌入式系統(tǒng)需要Linux提供的軟件功能，這些功能需要強(qiáng)大的處理器，高速存儲(chǔ)器和復(fù)雜的電源管理。許多開(kāi)發(fā)板都具有這些功能，但是這種集成在設(shè)計(jì)生產(chǎn)系統(tǒng)時(shí)可能不得不從頭開(kāi)始。為DDR內(nèi)存和處理器單獨(dú)布線的PCB設(shè)計(jì)需要匹配30到40個(gè)DDR信號(hào)，以確保符合時(shí)序和阻抗的要求規(guī)范。這是一個(gè)單調(diào)乏味且經(jīng)常耗時(shí)的工作，但只要有一個(gè)需要工作的DDR接口，那么無(wú)論什么產(chǎn)品就都需要完成這項(xiàng)工作。

　　想想前面提到的處理器和存儲(chǔ)器接口的任務(wù)，比如在一個(gè)房子里有很好的電源布線 - 你需要它，如果沒(méi)有它，你將無(wú)法賣掉一棟房子，但是這對(duì)房屋的價(jià)格沒(méi)有任何價(jià)值。同樣，花時(shí)間成為某些完成PCB走線任務(wù)的專家也不會(huì)增加最終產(chǎn)品的價(jià)值。相反，設(shè)計(jì)師需要花時(shí)間增加獨(dú)特的價(jià)值，而不是重做復(fù)雜的PCB設(shè)計(jì)走線(routing)任務(wù)。

　　除了傳統(tǒng)的原理圖和PCB布局設(shè)計(jì)費(fèi)用外，如果在初始產(chǎn)品設(shè)計(jì)期間不采取有效的復(fù)合要求的措施的話，那么制造這些復(fù)雜電路板的成本也將呈指數(shù)增長(zhǎng)。例如，采購(gòu)不符合傳統(tǒng)拾放或回流制造工藝的組件可能會(huì)造成昂貴的代價(jià)。

　　考慮到所有這些因素，評(píng)估開(kāi)發(fā)板的嵌入式設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該考慮以下問(wèn)題：

　　1.驗(yàn)證開(kāi)發(fā)板并不是：

　　最終產(chǎn)品的尺寸和形狀是什么?

　　您的產(chǎn)品將使用哪些組件?

　　您的產(chǎn)品的最佳PCB層數(shù)是多少?

　　您的產(chǎn)品的最佳設(shè)計(jì)規(guī)則是什么?

　　2.生產(chǎn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要什么：

　　正確的形式因素(形狀，尺寸和功能)

　　正確的組件(在規(guī)格，可用性和成本方面)

　　以高產(chǎn)量和最低成本生產(chǎn)您的產(chǎn)品

　　可測(cè)試性和可修復(fù)性

　　集成價(jià)值到商業(yè)產(chǎn)品中

　　上述的這些突出問(wèn)題的解決方案已經(jīng)有一段時(shí)間了：模組系統(tǒng)(SoM，system on modules)。 SoMs通過(guò)將其一些組件集成到單個(gè)模塊中來(lái)模擬開(kāi)發(fā)板的核心功能，從而簡(jiǎn)化了許多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。但是，模組系統(tǒng)(SoM，system on modules)的可制造性可能是非標(biāo)準(zhǔn)的，增加了特殊的處理和成本。

　　幸運(yùn)的是，參考設(shè)計(jì)電路板和生產(chǎn)產(chǎn)品之間有一個(gè)更好的橋梁：系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP，system-in-package)器件。 SiP將多個(gè)集成電路(IC)集成在一個(gè)高度緊湊的模塊中，并作為單個(gè)集成單元使用。他們利用先進(jìn)的IC封裝技術(shù)為設(shè)計(jì)工程師創(chuàng)建和構(gòu)建模塊，其中包括高端DDR存儲(chǔ)器，多核處理器，電源管理系統(tǒng)，離散邏輯，傳感器以及數(shù)百個(gè)無(wú)源器件等組件。任何硅芯片工藝中的任意數(shù)量的器件都可以被整合到一個(gè)小而完整的即用型(ready-to-use)子系統(tǒng)中。設(shè)計(jì)工程師現(xiàn)在可以像使用樂(lè)高積木一樣，而不是用原料塑料片來(lái)白手起家式的建造產(chǎn)品。

　　系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP，system-in-package)技術(shù)源于摩爾定律的巨大成功，它使半導(dǎo)體生產(chǎn)成本更低，性能更高，功耗更低。然而，同時(shí)，摩爾定律也創(chuàng)造了一個(gè)沒(méi)有任何一種半導(dǎo)體制造工藝適用于所有類型器件組件的世界。例如，高性能，高密度的硅芯片工藝在微處理器和存儲(chǔ)器方面效果很好，但對(duì)于敏感的模擬元件或者M(jìn)EMS器件而言則不是那么有效。這是系統(tǒng)級(jí)芯片(SoCs，system on chips)的一個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)樗鼈儽仨氃趩我还栊酒に嚿线M(jìn)行設(shè)計(jì)妥協(xié)。

　　SiPs：IC的新紀(jì)元

　　系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP，system-in-package)器件除了能夠集成來(lái)自不同硅芯片工藝無(wú)法在單個(gè)晶片上創(chuàng)建的IC和無(wú)源器件之外，SiPs器件在從原型轉(zhuǎn)向生產(chǎn)設(shè)計(jì)時(shí)也能夠提供許多實(shí)實(shí)在在的好處。

　　首先，SiP器件可以去除復(fù)雜，普通，無(wú)增值的設(shè)計(jì)任務(wù)。與模組系統(tǒng)(SoM，system on modules)類似，系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP，system-in-package)將核心組件集成在系統(tǒng)中，如處理器，高速內(nèi)存和電源管理。但SiP技術(shù)將這種集成技術(shù)作為與標(biāo)準(zhǔn)集成電路具有相同外觀和感覺(jué)的器件，從而提高了信號(hào)完整性，更低的功耗和更小的無(wú)連接器外形尺寸 。通過(guò)從系統(tǒng)設(shè)計(jì)中去除復(fù)雜的布線和電源管理，SiP器件還可以減少給定設(shè)計(jì)中所需的PCB層數(shù)。

　　SiPs的另一個(gè)好處是可制造性。鑒于SiP器件看起來(lái)像標(biāo)準(zhǔn)封裝的IC器件，所以它適合于低成本的貼裝或者回流制造工藝中。如前所述，SiP可以集成數(shù)百個(gè)分立元件，從而減少制造時(shí)間和產(chǎn)品成本。此外，集成無(wú)源器件的功能可以為復(fù)雜的微處理器提供單面設(shè)計(jì)，否則這些微處理器必須直接放置在設(shè)備的下方。

　　圖6、SiP幫助加快設(shè)計(jì)聚焦核心工作

　　最后，SiPs簡(jiǎn)化了供應(yīng)鏈。以合理的成本小批量采購(gòu)組件可能是一個(gè)真正的讓人頭痛的問(wèn)題，因?yàn)榘蜒邪l(fā)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向生產(chǎn)，同時(shí)試圖保證在生產(chǎn)時(shí)數(shù)百個(gè)組件的可用性是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。使用SiPs，采購(gòu)已經(jīng)完成，不用擔(dān)心上百個(gè)組件的交付周期，現(xiàn)在只需要擔(dān)心其中的一個(gè)即SiPs的交貨時(shí)間。雖然這對(duì)于設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)可能不是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)，但是生產(chǎn)操作人員會(huì)感謝你。

　　圖7、SiPs幫助簡(jiǎn)化公司的供應(yīng)鏈

　　從原型到生產(chǎn)，充分利用摩爾定律

　　雖然開(kāi)發(fā)驗(yàn)證板的性能，功能，成本和社區(qū)支持可能具有吸引力，但首先為您的最終產(chǎn)品解決方案選擇合適的設(shè)備將會(huì)幫助您成功實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的產(chǎn)品。對(duì)于一個(gè)給定的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，最好的處理器，存儲(chǔ)器，模擬和電源技術(shù)可以在充分利用摩爾定律的集成封裝中實(shí)現(xiàn)，所以為什么要妥協(xié)呢?

　　圖8、SiPs縮小芯片尺寸

　　圖9、SiPs讓Moore定理繼續(xù)有效

　　所以，下一次你要找一個(gè)開(kāi)發(fā)板的時(shí)候，要問(wèn)問(wèn)你自己：“它有SiPs實(shí)現(xiàn)方案嗎?