システムインパッケージ (システムインパッケージ) とは | 意味や読み方など丁寧でわかりやすい用語解説

システムインパッケージ (システムインパッケージ) の読み方

日本語表記

システムインパッケージ (システムインパッケージ)

英語表記

System-in-package (システムインパッケージ)

システムインパッケージ (システムインパッケージ) の意味や用語解説

システムインパッケージ（SiP）とは、複数の異なる半導体チップや受動部品などを、単一のパッケージ内に集積する技術である。従来の電子機器では、ロジックLSI、メモリ、RF（高周波）IC、電源ICといった様々な機能を担う半導体部品が、それぞれ個別のパッケージに封止され、プリント基板上に配置されていた。しかし、SiPではこれらの機能部品をまとめて一つのモジュールとして提供するため、機器の小型化、高性能化、低消費電力化、そして製造コストの削減に貢献する。 SiPの基本的な考え方は、複雑なシステムを構成する複数の半導体部品を、あたかも単一の部品であるかのように扱う点にある。例えば、スマートフォンの中には、アプリケーションプロセッサ、DRAM、NANDフラッシュメモリ、無線通信モジュール、各種センサーといった多種多様な半導体チップが搭載されているが、これらをそれぞれ個別のパッケージとして基板に実装する代わりに、SiPではこれらのうちいくつかを一つのパッケージに収めてしまう。これにより、基板上の実装面積を大幅に削減し、より薄く、より小さい電子機器の実現を可能にする。 SiPが必要とされる背景には、半導体技術の進化と限界がある。かつては、ムーアの法則に代表されるように、単一の半導体チップに集積できるトランジスタの数は指数関数的に増加し、システム全体を一つのチップに統合するシステムオンチップ（SoC）という技術が主流だった。しかし、異なる機能を持つ多様な回路（デジタル、アナログ、高周波、パワーなど）を単一のシリコンダイ上で最適に製造することは、技術的にもコスト的にも難しくなってきた。特に、微細化の進展が困難なアナログ回路や高周波回路を、最先端のデジタル回路と同じプロセスで製造しようとすると、かえって効率が悪くなる場合がある。 そこでSiPは、それぞれの機能に最適な製造プロセスで生産された複数のチップを、後工程で効率的に統合するというアプローチを取る。これにより、個々のチップの特性を最大限に活かしつつ、システム全体としての性能とコスト効率を最適化できる。SiPは、複数のLSIチップに加えて、抵抗、コンデンサ、インダクタといった受動部品、さらにはMEMS（微小電気機械システム）センサーなど、多様なコンポーネントを内蔵することが可能である。これらの部品は、配線パターンが形成された基板（インターポーザーと呼ばれることもある）上に配置され、ワイヤーボンディングやフリップチップ実装といった技術を用いて接続され、最終的に樹脂やセラミックなどで保護される。 SiPの採用によるメリットは多岐にわたる。最も顕著なのは、前述の通り、機器の小型化と軽量化である。複数の機能部品を単一のパッケージにまとめることで、プリント基板上の占有面積が大幅に減少し、モバイル機器やウェアラブルデバイスのような、スペースが極めて限られる製品において非常に有効である。次に、高性能化と高機能化が挙げられる。チップ間の距離が物理的に短くなるため、信号の伝送遅延が減少し、データ転送速度が向上する。これは、大量のデータを高速に処理する必要があるアプリケーションにおいて、システムのボトルネックを解消し、全体的な性能を向上させることにつながる。また、異なる機能を持つチップを柔軟に組み合わせることができるため、より複雑で高度なシステムを比較的容易に構築できる。 さらに、SiPは低消費電力化にも寄与する。チップ間の配線が短くなることで、信号伝送に伴う電力損失が低減される。これは特に、バッテリー駆動のモバイル機器にとって重要なメリットとなる。開発期間の短縮とコスト削減も大きな利点だ。ゼロからSoCを設計する場合と異なり、SiPでは既存の様々な機能チップを組み合わせて利用できるため、開発の労力と時間を大幅に削減できる。また、個々のチップはそれぞれの機能に特化して最適化されたプロセスで製造されるため、全体の歩留まりを向上させやすい。これにより、製品の市場投入までの時間を短縮し、競争力を高めることが可能となる。加えて、複数のコンポーネントが単一のパッケージ内に密閉されるため、外部環境からの物理的な影響を受けにくく、高い信頼性を確保しやすいという側面もある。 一方で、SiPにはいくつかの課題も存在する。一つは設計の複雑性である。異なる製造プロセスや異なるベンダーのチップを統合する場合、電気的な特性の整合性や熱管理など、設計段階での考慮事項が増える。また、パッケージ内部に複数の機能が組み込まれるため、個々のチップや機能ブロックのテストが難しくなる場合がある。特に、不具合が発生した場合の原因特定が複雑になる可能性がある。さらに、複数の発熱源が一つのパッケージに集中するため、効果的な熱管理が不可欠となる。放熱設計を誤ると、システムの安定性や寿命に影響を及ぼす恐れがある。サプライチェーンの観点からは、複数の異なる部品サプライヤーとの連携が必要となり、サプライチェーン管理の複雑化を招くこともある。 SiPの応用分野は非常に幅広い。スマートフォン、タブレット、スマートウォッチなどのモバイル・ウェアラブルデバイスでは、小型化と高性能化が求められるため、SiPが不可欠な技術となっている。IoT（モノのインターネット）デバイスでは、限られた電力とスペースの中で多様なセンサーや通信機能を統合する必要があり、SiPがその要件を満たす。また、自動車のADAS（先進運転支援システム）やインフォテインメントシステムといった車載用電子機器、高性能な演算処理が求められるサーバー、そして5G通信モジュールなど、様々な分野でSiPの採用が進んでいる。 SiPは、SoCが追求する「単一チップによる完全統合」とは異なるアプローチで、システムの高性能化と小型化を実現する。SoCがチップレベルでの統合を志向するのに対し、SiPはパッケージレベルでの統合を志向する。これらの技術は競合するものではなく、互いに補完し合う関係にある。システム全体の要件に応じて、SoCが最適な場合もあれば、SiPが最適な場合もあり、あるいはSoCとSiPを組み合わせて用いることで、より高度なシステムを効率的に構築することも可能である。今後も、より高性能で、より低消費電力な電子機器の実現に向けて、SiP技術は進化を続けていくことが予想される。