Sistem dalam sebuah paket

Sistem dalam sebuah paket

Ilustrasi konseptual beberapa cip semikonduktor yang diintegrasikan dalam satu kemasan.
Jenis komponen	Teknologi pengemasan dan integrasi semikonduktor

Sistem dalam sebuah paket (bahasa Inggris:system-in-package, disingkat SiP) atau sistem dalam kemasan adalah pendekatan pengemasan sirkuit terpadu yang menggabungkan beberapa sirkuit terpadu (IC), cip semikonduktor, atau komponen elektronik lain ke dalam satu kemasan fisik. Komponen-komponen tersebut dapat ditempatkan berdampingan, ditumpuk secara vertikal, atau ditanamkan di dalam substrat kemasan, lalu dihubungkan melalui interkoneksi internal sehingga bekerja bersama sebagai suatu sistem atau subsistem elektronik.^[1][2]

SiP dapat memadukan cip dengan fungsi dan teknologi fabrikasi yang berbeda, misalnya prosesor, memori, transceiver frekuensi radio, sensor, serta komponen pasif seperti resistor dan kapasitor. Dengan demikian, beberapa fungsi yang semula memerlukan cip dan komponen terpisah pada papan sirkuit dapat dirangkai dalam satu modul. Teknologi ini digunakan antara lain pada perangkat seluler, perangkat pakai, sistem komunikasi, dan perangkat Internet untuk Segala (IoT).^[3][4]

SiP berbeda dari sistem pada sebuah cip (bahasa Inggris:system on a chip, SoC). Pada SoC, berbagai fungsi sistem diintegrasikan ke dalam satu cip semikonduktor, sedangkan SiP menyatukan beberapa cip atau komponen dalam satu kemasan. Keduanya dapat digunakan bersama, misalnya ketika sebuah SoC dipasangkan dengan cip memori dalam kemasan yang sama.^[5]

Struktur dan komponen

Sebuah SiP umumnya terdiri atas:

• satu atau lebih cip semikonduktor;
• substrat atau lapisan perantara untuk menghubungkan cip;
• sistem interkoneksi; dan
• bahan pelindung kemasan.

Bergantung pada kebutuhan rancangan, SiP juga dapat mencakup komponen pasif, sensor, antena, atau elemen fungsional lain.^[3][4]

Substrat kemasan menyediakan jalur listrik antarcip di dalam paket sekaligus sambungan ke papan sirkuit tercetak (PCB). Substrat dapat dibuat dari bahan organik berlapis, keramik, atau bahan lain yang sesuai. Pada rancangan tertentu digunakan lapisan perantara (bahasa Inggris:interposer), termasuk interposer silikon, untuk menyediakan jalur interkoneksi berkerapatan tinggi.^[4][3]

Tidak semua SiP memiliki susunan yang sama. Jumlah cip, jenis substrat, metode penyambungan, dan cara penumpukan ditentukan oleh fungsi sistem, kebutuhan ruang, kinerja listrik, pengelolaan panas, serta biaya produksi.^[4]

Metode interkoneksi

Cip dan komponen di dalam SiP harus dihubungkan agar dapat bertukar sinyal, data, dan daya. Metode yang umum digunakan adalah sebagai berikut.

Metode	Cara kerja	Catatan
Ikatan kawat (wire bonding)	Kawat logam halus menghubungkan pad pada cip dengan pad pada substrat atau terminal kemasan.	Banyak digunakan pada berbagai jenis kemasan semikonduktor.
Flip-chip	Cip dipasang dengan sisi sambungan menghadap substrat; tonjolan konduktif (bump) menghubungkan pad cip dengan jalur substrat.	Jalur sambungan yang lebih pendek dapat mendukung interkoneksi berkecepatan tinggi.
Via tembus silikon (through-silicon via, TSV)	Struktur konduktif yang menembus badan silikon untuk menyediakan sambungan vertikal.	Digunakan pada penumpukan cip dan integrasi tiga dimensi.
Lapisan redistribusi (redistribution layer, RDL)	Lapisan jalur logam yang mengatur ulang lokasi sambungan listrik pada cip atau kemasan.	Umum pada pengemasan tingkat wafer.
Pengikatan hibrida (hybrid bonding)	Penyambungan langsung yang menggabungkan sambungan logam dan permukaan dielektrik.	Memungkinkan interkoneksi dengan jarak sangat rapat.

Metode-metode tersebut tidak selalu digunakan secara terpisah; satu kemasan dapat memadukan beberapa teknik sesuai kebutuhan arsitekturnya.^[4][6][2]

Susunan integrasi

SiP dapat dibedakan berdasarkan susunan fisik komponen di dalam kemasannya.

Susunan dua dimensi (2D)

Beberapa cip ditempatkan berdampingan pada substrat kemasan yang sama dan dihubungkan melalui jalur pada substrat. Pendekatan yang berkaitan erat adalah modul multicip (bahasa Inggris:multi-chip module, MCM).

MCM dan SiP memiliki cakupan yang beririsan. MCM umumnya menekankan penggabungan beberapa cip dalam satu modul, sedangkan istilah SiP menekankan bahwa kombinasi komponen di dalam kemasan menyediakan fungsi suatu sistem atau subsistem. Penggunaan istilah dapat berbeda antarindustri dan sumber teknis.^[2][7]

Integrasi dua setengah dimensi (2.5D)

Beberapa cip ditempatkan pada suatu interposer yang memiliki jalur interkoneksi berkerapatan tinggi. Interposer menghubungkan cip-cip yang berdampingan sebelum jalur diteruskan ke substrat kemasan.

Interposer silikon dengan TSV merupakan salah satu implementasi 2.5D. Pendekatan ini digunakan, misalnya, untuk menghubungkan cip logika dengan memori berbandwidth tinggi (bahasa Inggris:high-bandwidth memory, HBM) pada sistem komputasi tertentu.^[2][8]

Integrasi tiga dimensi (3D)

Cip atau lapisan semikonduktor disusun secara vertikal. Sambungan antarlapisan dapat memakai ikatan kawat, flip-chip, TSV, atau teknik pengikatan langsung, bergantung pada rancangan dan proses pembuatannya.

Penumpukan vertikal dapat mengurangi luas tapak kemasan dan memperpendek jarak interkoneksi. Namun, pengelolaan panas, kekuatan mekanis, pengujian, dan hasil produksi menjadi pertimbangan penting pada rancangan 3D.^[4][9]

Kemasan di atas kemasan (PoP)

Kemasan di atas kemasan (bahasa Inggris:package-on-package, PoP) menempatkan satu kemasan di atas kemasan lain; misalnya kemasan prosesor dipasangkan secara vertikal dengan kemasan memori. Komponen yang telah dikemas secara terpisah dapat digabungkan dalam satu susunan.

Meskipun bertingkat, PoP tidak selalu berarti cip-cip di dalamnya terhubung langsung melalui TSV; interkoneksi dapat berlangsung melalui terminal antarkemasan.^[3][4]

Integrasi heterogen

Integrasi heterogen (bahasa Inggris:heterogeneous integration) adalah pendekatan untuk menggabungkan komponen yang berbeda dalam satu sistem atau kemasan. Perbedaan tersebut dapat mencakup fungsi, bahan semikonduktor, teknologi proses, ukuran cip, atau asal pabrik pembuatnya.

Sebagai contoh, cip logika yang dibuat dengan proses fabrikasi tertentu dapat digabungkan dengan cip radio frekuensi, sensor sistem mikroelektromekanis (MEMS), atau memori yang memakai proses berbeda. Dengan demikian, setiap komponen dapat dirancang sesuai fungsinya tanpa harus mengintegrasikan semuanya ke dalam satu cip monolitik.^[2][6]

Integrasi heterogen berkaitan erat dengan SiP, tetapi keduanya tidak sepenuhnya sinonim. Integrasi heterogen menggambarkan strategi penggabungan komponen berbeda, sedangkan SiP merujuk pada bentuk integrasi dalam satu kemasan. Integrasi heterogen juga dapat diterapkan melalui pendekatan pengemasan atau integrasi lain.^[2]

Perbandingan dengan teknologi terkait

Sistem pada sebuah cip (SoC)

SoC mengintegrasikan sejumlah fungsi sistem pada satu cip semikonduktor, seperti unit pemrosesan, pengendali memori, antarmuka masukan-keluaran, pemrosesan grafis, atau fungsi komunikasi, bergantung pada rancangan. SiP, sebaliknya, menggabungkan beberapa cip atau komponen dalam satu kemasan. Komponen di dalamnya dapat dibuat dengan teknologi proses berbeda; hal ini memberi keleluasaan memilih komponen, tetapi menuntut interkoneksi dan koordinasi antarcip di tingkat kemasan.^[1][5]

Perbandingan umum SiP dan SoC

Aspek	SiP	SoC
Tingkat integrasi	Beberapa cip atau komponen dalam satu kemasan	Berbagai fungsi pada satu cip semikonduktor
Teknologi fabrikasi	Dapat menggabungkan beberapa proses dan bahan	Umumnya memakai satu proses fabrikasi untuk bagian monolitik
Interkoneksi	Antarcip melalui substrat, interposer, atau sambungan kemasan	Antarbagian melalui interkoneksi di dalam cip
Fleksibilitas komponen	Dapat menggabungkan cip yang dirancang atau diproduksi terpisah	Memerlukan rancangan dan proses yang sesuai pada satu cip
Penggunaan khas	Modul multifungsi, termasuk komponen berbeda teknologi	Prosesor aplikasi, pengendali, dan sistem terintegrasi lain

Perbandingan ini bersifat umum. SoC dapat dipasang dalam SiP, dan SiP dapat mencakup satu SoC bersama komponen lain, sehingga keduanya tidak selalu merupakan kategori produk yang terpisah sepenuhnya.^[5]

Modul multicip (MCM)

MCM menggabungkan beberapa cip dalam satu modul atau kemasan. MCM dapat menjadi bagian dari SiP apabila komponen yang digabungkan membentuk fungsi sistem atau subsistem. Dalam praktik, batas kedua istilah dapat tumpang tindih, sehingga pengelompokan suatu produk perlu mempertimbangkan rancangan dan fungsi kemasan, bukan sekadar jumlah cip.^[2][7]

Sirkuit terpadu hibrida

Sirkuit terpadu hibrida (bahasa Inggris:hybrid integrated circuit, HIC) menggabungkan komponen elektronik pada suatu substrat dan secara historis banyak digunakan pada rangkaian analog atau fungsi khusus. HIC dan SiP sama-sama memakai beberapa komponen dalam satu struktur, tetapi keduanya tidak dapat dibedakan secara mutlak hanya berdasarkan jenis sinyal atau metode sambungan. Teknologi kemasan, tingkat integrasi, dan tujuan sistem perlu dipertimbangkan.^[10]

Chiplet

Arsitektur chiplet memecah satu sistem menjadi beberapa dadu silikon modular yang disambungkan dalam satu kemasan. Namun, tidak setiap sistem multicip atau prosesor berbasis chiplet otomatis tergolong SiP; klasifikasinya bergantung pada struktur kemasan dan terminologi yang digunakan.^[2][1]

Penerapan

Perangkat seluler dan perangkat pakai

SiP digunakan pada perangkat dengan ruang terbatas, seperti telepon seluler, jam tangan pintar, dan perangkat pakai lain. Penggabungan cip pemrosesan, memori, komponen komunikasi, dan fungsi pendukung dalam satu kemasan dapat mengurangi kebutuhan ruang pada PCB.^[3]

Salah satu contoh yang dikenal adalah Apple S1 pada generasi pertama Apple Watch. Paket ini mengintegrasikan berbagai komponen elektronik menjadi satu modul kompak, dan menunjukkan bagaimana SiP dapat menyatukan beragam fungsi dalam ruang yang sangat terbatas.^[11]

Internet untuk Segala (IoT)

Perangkat IoT sering memerlukan kombinasi fungsi pemrosesan, konektivitas nirkabel, pengelolaan daya, dan sensor. SiP dapat menggabungkan sebagian fungsi tersebut dalam modul yang relatif kecil sehingga lebih mudah diintegrasikan ke perangkat akhir. Sensor MEMS atau cip komunikasi, misalnya, dapat dikombinasikan dengan cip pengendali. Susunan yang tepat bergantung pada kebutuhan daya, ukuran, frekuensi komunikasi, lingkungan operasi, dan biaya.^[3][2]

Komunikasi nirkabel

SiP dapat menggabungkan komponen RF, penguat, filter, pengendali, serta elemen antena atau sambungannya. Integrasi ini dapat mengurangi ruang dan panjang jalur sinyal pada perangkat komunikasi. Pada beberapa rancangan, antena diintegrasikan langsung pada kemasan (bahasa Inggris:antenna-in-package), tetapi tidak semua SiP memiliki antena karena kebutuhannya bergantung pada aplikasi dan rancangan sistem.^[3]

Komputasi kinerja tinggi

Pada sistem komputasi kinerja tinggi, pengemasan canggih dapat menghubungkan cip logika dengan memori berbandwidth tinggi atau cip berfungsi khusus. Pendekatan 2.5D dan 3D memungkinkan interkoneksi yang lebih rapat dibandingkan penempatan komponen terpisah pada papan sirkuit. Penggunaannya pada komputasi kinerja tinggi dan kecerdasan buatan berkembang seiring kebutuhan akan lebar pita, efisiensi energi, dan kepadatan komponen.^[2][8]

Kelebihan dan keterbatasan

Kelebihan

• Miniaturisasi: beberapa cip dan komponen berada dalam satu kemasan sehingga kebutuhan ruang pada papan sirkuit berkurang.
• Integrasi fungsi beragam: komponen dengan teknologi fabrikasi, bahan, atau fungsi berbeda dapat digabungkan.
• Interkoneksi lebih pendek: penempatan yang berdekatan dapat memperpendek jalur sinyal, yang berpotensi membantu kinerja listrik dan efisiensi energi.
• Fleksibilitas rancangan: komponen dapat dipilih dan dikombinasikan sesuai kebutuhan, termasuk cip yang dikembangkan secara terpisah.
• Pengembangan produk: pemakaian komponen yang sudah tersedia dapat, dalam kondisi tertentu, mengurangi kebutuhan merancang semua fungsi sebagai satu cip monolitik.

Manfaat tersebut bergantung pada arsitektur, teknologi kemasan, volume produksi, dan kebutuhan produk. SiP tidak selalu lebih murah, lebih cepat, atau lebih hemat daya daripada SoC atau rancangan multicip konvensional.^[1][2][4]

Keterbatasan

• Pengelolaan panas: cip yang berdekatan atau bertumpuk dapat meningkatkan kepadatan panas dan mempersulit pembuangan panas.
• Kompleksitas interkoneksi: jalur antarcip memerlukan rancangan listrik dan mekanis yang cermat, terutama pada kemasan berkerapatan tinggi.
• Pengujian dan keandalan: komponen perlu diuji pada tingkat cip dan kemasan; cacat pada satu bagian dapat membuat seluruh paket gagal berfungsi.
• Hasil produksi (yield): penggabungan banyak komponen menyulitkan pengendalian hasil, terutama bila komponen rusak tidak dapat diganti setelah dirakit.
• Biaya pengemasan: substrat khusus, interposer, penumpukan, dan proses penyambungan canggih dapat meningkatkan biaya.
• Perbaikan dan penggantian: komponen yang telah disegel dalam satu kemasan umumnya tidak mudah diganti secara individual.

Dampak tiap keterbatasan berbeda menurut jenis SiP. Penggunaan cip yang telah diuji sebelum perakitan (known good die), desain kemasan yang sesuai, dan strategi pengujian tingkat sistem dapat membantu mengurangi risiko, tetapi tidak menghilangkan seluruh tantangan tersebut.^[4][2]

Lihat pula

• Sistem pada sebuah cip
• Sirkuit terpadu
• Pengemasan sirkuit terpadu
• Modul multicip
• Integrasi heterogen
• Chiplet
• Sirkuit terpadu tiga dimensi
• Memori berbandwidth tinggi

Referensi