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浅谈SOC技术的应用与发展
研究生课程论文
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浅谈SOC技术的应用与发展
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序言
微电子技术当前发展的一个标志性的特点就是系统级芯片（SOC）概念的出现，也被称为片上系统，即集成在一个芯片上的微电子系统。
电子技术是信息社会的基石，实现信息化的网络及其关键部件不管是各种计算机还是通讯电子装备，它们的基础都是集成电路.随着集成电路技术的发展、使整机、电路与元件、器件之间的明确界限被突跛,器件问题、电路问题和整机系统问题已经结合在一起。
微电子技术与传统电子技术相比,其主要特征是器件和电路的微小型化，它把电路系统的设计和制造工艺紧密结合起来，适于进行大规模的批量生产，因而成本低和可靠性高。
由于IC设计与工艺技术水平不断提高，集成电路规模越来越大，大型集成电路的复杂程度越来越高，已经可以将整个硬件系统集成在一个芯片上。
正是在市场需求牵引和技术推动的双重作用下，出现了将整个系统集成在一个IC芯片上的系统级芯片的概念。
其进一步发展中，已经可以将各种物理的、化学的和生物的敏感器用来执行信息获取功，与信息处理系统集成在一起可以完成从信息获取、处理、存储、传输到执行的系统功能，这就是一个更广意义上的系统集成芯片.
随着集成电路设计技术的进步和半导体制造工艺的发展，越来越多的电路可以集成在一块芯片内，这大幅降低了系统的成本并提高了系统的可靠性。
通过使用IP（IntellectualProperty），在单个芯片上可能集成了微控制器（MCU）、数字信号处理器（DSP）、存储器、射频前端、数模和模数转换器等硬件以及完成特定功能所必需的嵌入式软件，这就是片上系统.SOC的主要特点就是包含微处理器以及完成特定功能所必需的嵌入式软件.SOC不仅指它的硬件平台,还包括了运行在其上的软件成分。
一、SOC芯片技术的特征
不断发展的信息市场推动技术的SOC发展.目前，很多具有中央处理器功能的消费性电子产品，如视频转换器（Set-topbox）、移动电话（mobilephones）和个人数字助理（PDA）等等，都可称之为SOC芯片。
这类产品不仅在市场上占有重要地位，且其销售量还在不断的增长当中，已经越来越成为消费性电子的主流产品。
这类产品对成本与市场价格相当敏感,因此,业者的竞争力便来自于谁能更好的控制成本。
由于在一个芯片中集成了多种不同的功能模块,SOC技术的发展为降低这类消费性电子产品的成本提供了机会。
SOC不但集成度高,更重要的是具有应用领域的行为和功能特征,具有更多的应用专业知识含量，使整机成本和体积以及功耗都大大降低，加快了整机系统更新换代的速度，SOC推动了通信、电脑、电子设备和消费电子产品朝轻、薄、短和低功耗方向发展，带动电子信息产业的新变革。
SOC与单功能芯片相比有如下特点：
1．扩展了芯片功能，从单一功能增加到多种功能,如一般移动电话由RF/IF信号处理电路和基频信号处理电路两大部分组成，目前上市的移动电话用IC由2—4块组成,1998年日本富士通公司利用CMOS工艺推出单芯片移动电话用IC。
这样，在单芯片上可实现天线切换、锁相回路（PLL）、本地振荡、解调变处理、调变处理和帧处理等功能.
2．提高芯片性能指标，SOC是从整个系统的角度进行设计，在相同的工艺条件下可实现更高性能的系统指标，如利用0135E。
w工艺，采用SOC设计方法，在相同的系统复杂性和处理速率下，相当于采用011Eun工艺制造的IC所实现的同样系统的性能。
同时，采用SOC设计方法完成同样功能所需的晶体管数目可降低2—3个数量级。
3．减少芯片体积，降低所占的印制电路板（PCB）空间,一个芯片集成一个系统，相当于一个部件或一部整机,势必减少整机的体积。
如DVD用芯片，目前为第三代LSI芯片,由3块芯片组成，不久将推出第四代LSI芯片，由2块芯片组成，一块为前端电路,另一块为后端电路。
4．降低芯片功耗，提高抗电磁干扰和系统可靠性。
如日本日立公司HG73M系列SOC，它集成SH3型SPUCore、高速逻辑电路和高密度DRAM等,其数据传输速率比采用外部DRAM系统高10-100倍，其功能仅为原来的1/10—1/20。
而且降低了芯片的综合成本，SOC要集成多种功能的IC,若靠一个公司从头做起，要花费很大的代价，浪费很多的时间，并且一个公司也不可能做好全部的事情，因为每个公司都有自己的关键技术,都有自己的知识产权（IP:
Intellect让用户参与设计，这样设计出来的芯片上市最快、最受用户欢迎也最容易占领市场。
5．SOC为实现许多复杂的信号处理和信息加工提供了新的思路和方法。
SOC除了片内包含大量的电子系统电路资源、具有用户可编程的能力外，还具有将器件插在系统内或电路板上就能对其进行编程或再编程的能力。
这种现场可编程和资源重复配置技术为设计者进行电子系统设计和开发提供了可利用的最新手段。
采用片内可再编程技术，使得片上系统内硬件的功能可以像软件一样通过编程来配置，从而可以实时地进行灵活而方便的更改和开发，甚至可以在系统运行过程中进行再配置，使相同的硬件可以按不同时段实现不同的功能，提高了系统的效率.这种全新的系统设计概念，使新一代的SOC具有极强的灵活性和适应性.它不仅使电子系统的设计和开发以及产品性能的改进和扩充变得十分简易和方便，而且使电子系统具有适应多功能的能力。
要缩短设计周期，必须向公司购买IP，可减少重复劳动，提高效率，节约开支，降低成本。
由于采用SOC，可减少外围电路芯片，也降低了整机的成本.
二、SOC芯片技术的发展趋势
随着电子技术开发应用对集成电路IC需求量的扩大和半导体工艺水平的不断进步,超大规模集成电路VLSI技术迅猛发展。
当前的半导体工艺水平己经达到了亚微米水平并正在向50nm以下发展，器件特征尺寸越来越小，芯片集成规模越来越大，数百万门级电路可以集成在一个芯片上，芯片尺寸已从逻辑限制变为焊盘限制,我们必须找到与常规集成电路设计思想不同的设计方式，它就是新世纪IC设计的主流技术。
SOC是微电子设计领域的一场革命,从整个系统的角度出发,把智能核、信息处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单个或少数几个芯片上完成整个系统的功能,既我们可以把越来越多的电路设计在同一个芯片中,这里面可能包含有中央处理器（CPU），嵌入式内存（Embeddedmemory）、数字信号处理器（DSP）、数字功能模块（Digitalfunction）、模拟功能模块（Analogfunction）、模拟数字转换器（A/DC，D/AC）以及各种外围配置（USB,MPEG）等等,这是新发展的SOC技术。
SOC技术的研究、应用和发展是微电子技术发展的一个新的里程碑。
SOC能提供更好的性能、更低的功耗、更小的印制板.空间和更低的成本,带来了电子系统设计与应用的革命性新变革，可广泛应用于移动电话、硬盘驱动器、个人数字助理和手持电子产品、消费性电子产品等。
SOC是21世纪电子系统开发应用的新平台.
从应用角度划分SOC有三种类型:
专用集成电路型SOC、可编程SOC和OEM型SOC.目前己有几家供应商能够提供可编程SOC，其中最为著名的有Atmel。
Xilinx和Altera三家公司。
从全球市场发展趋势来看，从1995年开始，SOC在集成电路市场中所占比例正在稳步增长，到2007年将接近四分之一。
SOC的增长速度也一直高于集成电路平均增长速度。
SOC的应用市场，通信与消费类产品稳居前两位,随后依次为数据处理,和汽车电子。
因此，如何根据市场的需求，从应用出发，推导出集成电路产品的设计规格，确定设计要求是我们需要解决的重要问题。
三、SOC芯片技术的关键技术
（一）SOC设计基础是IP核复用，有效地复用IP核成为SOC发展的关键技术之一。
建立IP核标准及发布IP核的基础设施，使IP核获取渠道畅通.一个SOC芯片可能包含上百个IP核,没有一家公司或企业可以完全拥有所需要的IP，为适应上市时间的要求，从外界获得IP核已经成为当务之急，如果这样的渠道不畅通,IP核用户不能及时得到他所需要的IP，势必成为阻碍SOC工业发展的瓶颈。
解决这一问题的办法就是建立IP核标准及发布IP核的基础设施。
虚拟元件交易门户VCX（VirtualComponentExchange）、虚拟元件交易门户D＆R（Design&Reuse）等是从事IP电子商务的组织,使IP核的交易在一种有效的、国际化、开放的市场基础设施内进行,从而提高IP的交易效率促进远程IP的采购与销售，并为IP的交易提供法律和业务方面的服务。
（二）SOC对EDA提出更高的要求，建立可重构SOC创新开发平台与设计工具研究。
随着微电子集成度的提高,SOC对EDA提出更高更苛刻的要求，从目前来说，满足SOC设计软件开发已经成为当前EDA行业的一个主要研究课题。
这个问题不难理解，因为EDA技术是受需求驱动而发展的,总体来说，EDA产品总是要落后同一时代的尖端设计需求。
随着信息技术的发展，EDA技术必然吸收信息技术的营养,从而突破设计上的时空限制，完善软、硬件协同设计技术SOC的设计流程比传统的IC设计复杂得多，需要的工具和语言也更加多样化。
一个统一的多用途语言就可减少这种麻烦,在设计流程中一个部分的代码可在另一个部分复用，这就可以加速SOC的设计过程，并减少出错的可能。
3．SOC对算法和内部电路系统结构提出更高的要求。
在新一代SOC设计领域，需要重点突破和创新的问题还包括实现系统功能的算法和内部电路系统结构二个方面。
纵观微电子技术的发展史，每一种算法的提出都会引起一场变革。
例如维特比算法、小波变换等技术都对集成电路设计技术的发展起到了非常重要的作用。
目前神经网络、模糊系统理论正在发展。
利用新理论构造新的算法是今后片上系统SOC设计领域的重要研究课题之一.在电路系统结构方面,由于射频、存储器件加入到SOC，使得SOC的电路系统结构和工艺已经不是传统的结构.因此需要发展更灵巧的新型电路结构。
为实现粘连逻辑，需要对新的逻辑阵列技术做系统、深入的研究。
四、SOC芯片技术发展面临的问题
近几年来,世界各国虽然推出多种SOC，但是SOC产业还是处于起步发展阶段,存在着若干需要解决的问题。
虽然目前SOC存在上述这些需解决的问题，但是它毕竟是一颗含苞未放的花蕾，不久便会结出硕果。
1．SOC制造商与用户的关系。
芯片制造商在构思新品时就要让用户参与.在SOC设计时，要早期超前与用户共同商量和研究,这就涉及一个高度信任的问题，为了做好用户的保密工作,有的公司安排不同的设计组，并指定专人与用户接触，不得随意扩散。
今天,芯片制造商之间的竞争不仅来自对手也将来自用户。
因为用户已能自己设计并通过代加工得到所需的IC。
2．缺乏复合型人才。
SOC的设计实际上是一个系统的设计，要求设计者具有宽广和专门的知识，既要具有模拟电路专长，又要具有数字电路特长:
要具有丰富软件知识。
目前世界上各大半导体公司都深深感到设计SOC人才的匾乏，连IC发源地硅谷的各大公司也感到综合技术人才的严重短缺。
3．EDA工具的能力.目前EDA工具还不够成熟,其处理能力己跟不上SOC工艺的发展，未能充分发挥SOC的性能.设计优化和高效率的IP表达法将是EDA产业未来应解决的问题.而面向不同系统的软件和硬件的功能划分理论支撑软、硬件的协同设计,其中不同的系统涉及各种计算机系统、通信系统、数据压缩解压缩和加密解密系统等
4．IP兼容性与多样化.现行标准能否兼容以前设计的IP,如何使用其它公司开发的IP，能否制订出一个IP设计和再利用的国际标准等问题都有待于进一步解决。
另外,在综合不同来源的IP时，逻辑综合软件由于不能改变硬IP模块的内部逻辑与时序，使整个芯片的速度面积比及时序预算不能达到最佳值，最终影响芯片的整个性能.目前，IP处以紧缺状态，急需的IP核有：
AD/DA类IP核;数字家电类IP核,如JPEG，MPEG2编解码器；移动通信类IP核,如卷积码、Turbo码编译码器、ReedSolomon编译码器、Bluetooth；信息处理类IP核,如高性能FFT0IFFT（快速傅里叶变换和反变换）、正变换和反变换组合在一起的离散余弦变换器、DES加密解密处理器。
5．测试、封装与散热更高的要求。
SOC芯片内部非常复杂,研发制造的技术一直处于持续改进的状态，涉及数字和模拟电路的综合测试，测试技术难度较大,使得系统芯片（SOC）的测试成本几乎占芯片成本的一半，因此未来集成电路测试面临的最大挑战是如何降低测试成本。
SOC芯片中在测试上遇到前所未有的难题有：
晶体管的数目越来越多；为了符合顾客的需求,芯片所提供的功能越来越多；各个不同功能模块运作的频率往往不同；各功能模块所使用的电压也可能不同;各功能模块的测试原理也不相同；如何能有效进行SOC芯片的测试工作，是学术界、产业界与各个研究单位都在努力解决的问题.另一个要解决的问题是提高模拟电路的测试速度.由于集成度不断提高,引线间距过窄，会增加封装难度，从而增加封装成本；由于电路集成度过高，布线层数增多，必须解决散热技术问题。
五、SOC芯片技术的新发展
为了提高系统性能、降低功耗，SOC产品目前正在大行其道，但芯片体积和开发成本却遇到了强大的障碍。
一些半导体供应商正在考虑一项新的技术SIP（Systeminapackage），希望能取代倍受争议的SOC产品。
SIP技术是将多个IC以及所需的分立和无源器件集成在一个封装内，形成的模块化标准产品可以像普通的器件一样在电路板上进行组装.在SOC产品中只有一个小片（die），SIP则包括多个堆叠在一起的小片,或将多个stacks整合在同一个衬底（substrate）上。
这种高密度的封装技术与传统的采用分立和无源器件的设计相比，可显著改善性能，有些专家甚至预计，系统性能的改善程度会超过SOC产品.
在多媒体和其他一些对于数据速率要求很高的应用中，存储带宽是一个关键的指标，PCB上铜互连往往对于数据的传输形成阻碍，而不同的是,SIP可提供高密度的数据通道，即单位板面积的数据通道更多。
另外，目前市场火热的手机等混合信号产品,需要数字、模拟和RF技术彼此之间可靠地无缝连接，但现实是，敏感的RF部分更加容易受到数字部分的电磁干扰SOC产品中各个电路部分是在同一衬底,由于辐射等原因形成衬底祸合，需要更加可靠的设计技术和滤波技术。
而SIP则通过将RF和其他电路进行分离，在各个不同的电路部分形成一个物理隔层，最大程度地减少彼此之间的电磁干扰.可见SIP综合了现有的芯核资源和半导体生产工艺的优势,克服了SOC中诸如工艺兼容、信号混合、噪声干扰等难题，故在系统集成领域的应用前景无可限量。
首先，在SOC芯片的网络计算方面，技术不断发展进步.在网络/计算应用中，往往要求存储器与专用芯片集成，例如PC中的图形模量设置典型地包含控制IC和两个SDRAM。
利用高密度衬底以SIP形式集成ASIC和存储器可以节省成本，因为SIP减少了母板布线的层数和复杂性，同时也提高了母板的空间利用率,在有限的空间中集成更多的功能块。
其次,SOC芯片的射频和无线方面最主要的应用是无线通讯的工具——手机。
对于手机产业来说，更轻、更薄、功能更全面是其发展的方向，同时更高的性价比和更短的开发周期是其具备市场竞争力的基础。
SIP以其设计周期短、功能增减灵活方便等优势而成为射频/无线领域的新技术.
再次，基于平台的SOC设计技术和SIP的重用技术是SOC产品开发的核心技术，是未来世界集成电路技术的制高点。
项目主要内容包括：
嵌入式CPU、DSP、存储器、可编程器件及内部总线的SOC设计平台；集成电路IP的标准、接口、评测、交易及管理技术；嵌入式CPII主频达1GHz，并有相应的协处理器;在信息安全、音视频处理上有1012种平台；集成电路IP数量达100种以上等。
另外，在SOC芯片技术的传感器发展方面。
微型传感器技术近年来发展迅速，应用领域不断拓展，例如生物医学传感器、图像传感器、MEMS传感器等,同时传感器正被逐步集成于手机等袖珍器件中。
在这些应用中,小体积、低成本、易于集成是成功实现系统集成的关键，而SIP技术不仅可以实现混合器件、混合信号的集成，而且具备系统体积小、设计灵活、花费少的特点，是实现微型传感器的有力手段之一.
对生命周期相对较长的产品来说,SoC将继续作为许多产品的核心；而若对产品开发周期要求高、生命周期短、面积小、灵活性较高，则应使用SiP。
现代集成技术已经远远超越了过去40年中一直以摩尔定律发展的CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺.人们正在为低成本无源元件集成和MEMS（微机电系统）传感器、开关和振荡器等电器元件开发新的基于硅晶的技术。
这意味着与集成到传统CMOS芯片相比，可以把更多的功能放到SiP封装（系统级封装）中，这些新技术并不会替代CMOS芯片,而只是作为补充。
如果没有足够的理由使用SiP，SoC将继续作为许多产品的核心,尤其是对生命周期相对较长的产品来说。
若对产品开发周期要求高、生命周期短、面积小、灵活性较高,则应使用SiP。
SiP的另一个应用领域是那些采用高级CMOS不能简单实现所需功能的产品，如MEMS和传感器应用,以及要求有完整的系统解决方案的产品。
（一）SiP缩短产品开发周期
在国际半导体技术路线图（ITRS）的推动下，摩尔定律的预言一再地被半导体行业的技术进步所印证，而CMOS工艺则一直是实现芯片晶体管时密度最高、成本最低的半导体工艺。
如果产品能用CMOS工艺来制造,而且设计速度足够快，能够满足产品开发周期期限并实现大批量销售，那么系统级芯片（SoC）几乎总是最便宜、体积最小的解决方案。
例如，65nmCMOS工艺能将80万门电路封装到1mm2的芯片上,45nmCMOS工艺则已经把160万门电路封装到1mm2的芯片上。
在成本方面，先进的CMOSSoC,如NXP为汽车无线电或数字电视处理器开发的数字信号处理集成电路，实现了先进的多媒体功能,价格却只有几美元。
此外，CMOS不再局限于数字系统。
最新的CMOSIP（半导体知识产权）库提供了广泛的系列模拟信号和混合信号功能，另外还将提供RF（射频）功能，可以把完整的RF功能集成到SoC中。
除其他因素外,数字功能、模拟功能、RF功能和存储功能是否集成到SoC中很大程度上取决于市场对产品设计周期的要求.在日新月异的移动通信市场中,产品周期短，满足产品开发周期至关重要。
在理想情况下，客户青睐于真正的即插即用元件，这些元件能得到可复制的参考设计支持，这使得SiP解决方案非常流行.根据客户的需要，客户只要改变一个或几个IC（集成电路）芯片，其他IC保持不变，就可以实现新产品.
如果要追求更低的成本，当然也可以把这些单个的IC芯片集成到SoC中，但这需要时间。
将若干单独的芯片封装在一起,不仅提供了灵活性，而且降低了基板面积，因为芯片可以层叠在一起。
这些功能在移动通信市场中具有重要意义。
例如，NXPNFC（近距离无线通讯技术）PN65N就是移动通信产品中使用的一种SiP.一个NFC控制器集成电路和一个安全控制器集成电路层叠在一起，中间有一个硅晶垫圈。
之所以选择SiP,是基于产品开发周期、灵活性和降低面积等因素考虑.在家庭市场和汽车市场中，产品生命周期和设计周期比较长，许多产品使用SoC。
大型SoC可能需要几个月的设计工时。
但是，如果市场足够大，寿命足够长，那么可以持续开发SoC版本，根据客户需求来降低系统成本。
（二）两种技术各有千秋
如果SiP解决方案比SoC解决方案便宜,那么即使家庭市场和汽车市场也会使用SiP解决方案。
例如，假设一个系统包含一个CPU（中央处理器）、多个硬件加速单元和大量的DRAM（动态随机存储器），尽管仅仅通过基本的CMOS工艺就能制造DRAM，但为了有效地利用芯片面积,需要增加光刻次数,这就会明显地提高芯片制造的成本。
大型存储器通常使用优化的工艺技术制成，这意味着存储器和系统其余部分之间在生产技术方面有着明显的差异.因此，双芯片解决方案可能会变得很有吸引力,其中一个是CPU和硬件加速器芯片，另一个是DRAM芯片，使用层堆晶粒或PoP（堆叠封装）方法将这两颗芯片封装在一起。
正是在这类技术划分中，理论上两种晶粒都可以在CMOS工艺中实现，所以才出现了今天的SiP与SoC之争。
系统使用SoC方案还是SiP方案，不仅取决于工艺技术的差异，而且还受到大量其他因素的影响,如成本、性能、尺寸、可靠性和设计难度。
有意思的是,不一定因为系统能够在单个CMOS工艺技术中得以实现，就要使用这种技术实现这个系统，还需要考虑其他因素.
如果技术划分是所有SiP的核心，那么生产经济的高性能SiP的关键是正确实现这种技术划分，这要求在系统结构上全面了解应用，以便考察把某种功能从一种技术实现方式转到另一种方式所产生的后果。
在这里,拥有广泛工艺技术的半导体制造商有着明显的优势，因为他们可以专门设计SiP的各个元件，进而来适应选定的结构。
从不同制造商采购元件的模块制造商则不可避免地会丧失这些元件设计的部分控制能力，从而使实现系统划分的难度大大提高。
如果产品开发周期要求紧，且SiP提供的解决方案比SoC便宜，最好采用SiP解决方案。
更重要的是，SiP实现了完整的系统解决方案，而高集成的CMOSSoC则略逊一筹，如数字系统经常需要外部元件，如解耦电容、频率参考晶体、定时电容和静电放电保护网络。
例如，集成了RF收发器的SoC可能仍需要天线开关和滤波器等外部元件，我们必须设计并把这些元件组装到印刷电路板上。
而有了SiP，所有这些功能都可以集成到一个封装中，而其能否实现只是取决于最终产品中提供的空间和成本。
SiP占用的空间通常比较少，但在大多数情况下成本要高于使用分立元件。
（三）面临各自封装技术挑战
如前所述,转向SiP解决方案必须有强有力的理由，不管这些理由是缩短产品开发周期、提高集成度、提高灵活性、减少面积还是降低成本。
与生活中大多数东西一样，SiP不只是拥有优势，它们也带来了许多挑战，最常被提及的一个就是其要求KGD（良裸晶）。
通过把一批IC和不同的元件安装到传统基板上实现系统，如印刷电路板，可以相对容易地确定和更换任何有问题的元件.如果把所有这些元件嵌入到SiP中，那么确定和更换问题元件则不会那么容易。
也就是说,如果发现组装的SiP有问题，那么其中的所有附加值就会失效。
使这种问题减到最小的最佳方式是在组装前100％预先测试SiP的所有元件,与传统IC制造和封装相比,其带来的晶圆探测和测试负担大大提高。
这是许多应用中引入堆叠封装（PoP）式SiP的原因之一，如处理器/DRAM组合，因为处理器和DRAM以一种可测试的封装形式存在，然后才把两个分立的封装熔接到一个PoP式SiP中.
在封装要求上，SoC和SiP都面临着各自的挑战.在SiP中，多个晶粒需要组合到一个封装中，可以使用的技术有并排引线键合、层叠晶粒、双倒装芯片技术或引线键合与倒装芯片互联技术相结合。
具有挑战性的技术包括加工和分拣超薄晶粒、悬挂晶粒上引线键合和低环引线键合以及新的晶粒黏合技术，如引线覆膜.
除现有技术外，业内正在开发许多新技术。
大多数技术进一步改善了小型化和性能,如把晶粒内嵌到模块或封装内插板中，以及带有通孔硅晶通路的3DIC技术。
SoC也面临着晶粒尺寸提高和焊盘间隙下降的挑战.最大的挑战在于，由于使用超低K电介质,晶粒变得更脆、更易碎，进而需要更细的引线，在引线键合时要特别小心，以避免损坏晶粒。
另外必需调整全套材料，如浇铸化合物以处理这些易碎晶粒.倒装芯片SoC的主要问题是间隙下降及大晶粒的可靠性问题。
六、总结
SOC是微电子设计领域的一场革命，从整个系统的
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