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文档简介
17/22可穿戴设备ASIC的尺寸和重量优化第一部分低功耗设计与工艺选择 2第二部分芯片尺寸与重量分析 4第三部分封装尺寸与材料优化 7第四部分天线集成与尺寸缩减 8第五部分集成度与元件排列优化 11第六部分散热管理与重量平衡 13第七部分柔性材料应用与尺寸控制 16第八部分3D堆叠与减重技术 17
第一部分低功耗设计与工艺选择低功耗设计与工艺选择
在设计可穿戴设备ASIC时,功耗优化至关重要。低功耗设计技术和工艺选择对于延长电池寿命和确保设备的最佳性能至关重要。
#低功耗设计技术
时钟门控:仅在需要时为时钟网络供电,以减少动态功耗。
电源门控:对设备的非活动部分关闭电源,以进一步降低静态功耗。
阈值电压调节:降低晶体管的阈值电压,以降低动态功耗,但需要权衡性能和功耗。
多电压域:在设备的不同部分使用不同的电源电压,以优化功耗和性能。
睡眠/唤醒模式:允许设备在空闲期间进入低功耗睡眠模式,并在需要时唤醒。
#工艺选择
低功耗工艺:专门设计为降低功耗的工艺,具有较低的阈值电压、较薄的栅极氧化层和优化后的互连结构。
FinFET技术:使用三维晶体管结构,具有更高的栅极密度和更好的静电控制,从而降低功耗和泄漏电流。
绝缘栅场效应晶体管(IGFET):与传统MOSFET相比,IGFET具有更低的栅极漏极电容,从而降低动态功耗。
硅片上片(SoP)技术:将多个裸片堆叠在单个封装中,以减少互连电容和减少功耗。
不同工艺的权衡:
*低功耗工艺:功耗最低,但性能可能较低。
*标准工艺:性能较高,但功耗也较高。
*FinFET和IGFET:在功耗和性能之间提供平衡。
*SoP:功耗和性能的最佳折衷方案,但成本较高。
#尺寸和重量优化
选择低功耗工艺:低功耗工艺可以减少芯片面积,从而优化尺寸和重量。
使用多电压域:多电压域通过将高性能区域与低功耗区域分离,可以优化尺寸和权重。
集成外围设备:将外围设备(例如天线、传感器和存储器)集成到ASIC中,可以减少组件数量并优化尺寸和重量。
通过使用SoP技术实现紧凑型封装:SoP技术允许在单个封装中堆叠多个裸片,从而实现更小、更轻的封装。
#示例
研究表明,低功耗工艺和设计技术可以将可穿戴设备ASIC的功耗降低高达50%。例如,使用FinFET工艺和时钟门控,一个H.264视频编解码器ASIC的功耗可以从300mW降低到150mW。
#结论
在可穿戴设备ASIC的设计中,低功耗优化是至关重要的。通过采用低功耗设计技术和工艺选择,可以显著降低功耗,从而延长电池寿命,优化设备尺寸和重量,并确保最佳性能。设计师必须仔细权衡不同技术的功耗和性能折衷,以优化可穿戴设备ASIC的整体功耗和尺寸重量特性。第二部分芯片尺寸与重量分析关键词关键要点芯片尺寸与重量分析
1.芯片尺寸和重量是可穿戴设备ASIC设计的关键考虑因素,对电池寿命、舒适性和整体用户体验产生重大影响。
2.通过优化设计,如采用更小的晶体管、更紧凑的布局和先进的封装技术,可以显著减小芯片尺寸和重量。
工艺技术进步
1.不断发展的工艺技术,如先进的晶体管结构和更薄的绝缘层,使芯片尺寸不断缩小。
2.集成更多功能和减少占用空间的设计技术,例如系统级封装(SiP),进一步促进尺寸和重量优化。
封装创新
1.先进的封装技术,如倒装芯片和扇出型封装,减少了芯片与电路板之间的连接尺寸,从而减小整体尺寸。
2.采用较轻的材料,如聚酰亚胺薄膜和陶瓷基板,有助于减轻封装重量。
材料优化
1.探索新材料,如碳纳米管和石墨烯,这些材料具有优异的电导率和机械强度,可以减小尺寸和重量。
2.采用薄型和柔性基材,如聚碳酸酯和聚酰亚胺,可实现轻量化和灵活的可穿戴设备设计。
热管理
1.优化热管理设计,以减少芯片功耗并防止过热,从而避免bulky散热元件的需要。
2.探索先进的散热技术,如微型热管和相变材料,以有效散热并减轻重量。
前沿趋势
1.可穿戴设备ASIC的尺寸和重量优化正在朝着超小型化和轻量化的方向发展。
2.新兴技术,如神经形态计算和可拉伸电子器件,有望进一步推动尺寸和重量的极限。芯片尺寸与重量分析
前言
可穿戴设备对尺寸和重量有严格的要求,要求芯片尺寸最小化和重量最轻化。本文分析了可穿戴设备ASIC的尺寸和重量优化方法,旨在为实现紧凑、轻量化的解决方案提供指导。
集成度
集成度是芯片尺寸和重量优化关键因素。通过将多个功能模块集成到单个芯片上,可以显著减少整体芯片面积和重量。例如,将CPU、存储器和无线通信模块集成到单个SoC(片上系统)中,可以实现比采用独立芯片更小的尺寸和更轻的重量。
封装技术
封装技术的选择直接影响芯片尺寸和重量。小型封装选项,如芯片级封装(CSP)和球栅阵列(BGA),可以最大限度地减少芯片占位面积和重量。此外,通过使用薄型衬底和低剖面封装材料,可以进一步减小芯片厚度。
工艺技术
芯片工艺技术的选择也至关重要。较小的工艺节点允许更多的晶体管打包到更小的空间中,从而实现更高的集成度和更小的芯片尺寸。例如,从65nm工艺技术迁移到28nm工艺技术可以显著减少芯片面积和重量。
系统级优化
系统级优化可以进一步减少可穿戴设备ASIC的尺寸和重量。例如,通过将多个ASIC集成到单个模块中,可以减少板级占用空间和重量。此外,通过优化PCB布局和元件选择,可以减少整体设备重量。
重量优化
材料选择
选择重量轻的材料对于可穿戴设备ASIC至关重要。例如,使用铝代替铜作为互连材料可以减轻重量。此外,选择低密度衬底材料,如陶瓷或聚酰亚胺,可以进一步减轻重量。
结构设计
结构设计可以优化芯片的重量分布。例如,使用蜂窝结构或孔隙结构可以减轻重量,同时保持结构强度。此外,通过优化散热器和封装尺寸,可以进一步减轻重量。
工艺优化
通过工艺优化,可以减轻芯片重量。例如,通过减薄芯片衬底或使用更薄的封装材料,可以减轻重量。此外,通过减少不必要的材料使用,例如在芯片空隙处使用填充材料,可以进一步减轻重量。
测量和建模
准确测量和建模芯片尺寸和重量至关重要。通过使用扫描电子显微镜(SEM)或原子力显微镜(AFM)等技术,可以精确测量芯片几何尺寸。此外,通过使用仿真模型,可以预测芯片重量和行为。
结论
可穿戴设备ASIC的尺寸和重量优化需要多种方法的结合。通过提高集成度、采用小型封装技术、选择先进的工艺技术、实施系统级优化和进行重量优化,可以实现紧凑、轻量化的解决方案。通过仔细考虑这些因素,可穿戴设备制造商可以开发满足尺寸和重量要求的创新产品。第三部分封装尺寸与材料优化封装尺寸与材料优化
封装尺寸和材料选择对于可穿戴设备ASIC的尺寸和重量优化至关重要。以下介绍了封装尺寸和材料优化的关键方面:
封装尺寸优化
*尺寸微缩:采用更小的封装尺寸,如QFN、BGA或CSP,以减少占板面积。
*堆叠封装:使用堆叠封装技术,将多个裸片堆叠在一起,从而减少总体封装高度和尺寸。
*键合线长度优化:优化键合线的长度,最大限度地减少寄生电感和电容,从而减小封装尺寸。
材料优化
*重量轻材料:选择重量轻的封装材料,如陶瓷或塑料,以降低整体重量。
*散热性能:使用具有良好散热性能的封装材料,如金属背板或热扩散器,以将热量从芯片传递到环境中。
*耐用性:选择耐用的封装材料,如环氧树脂或硅胶,以保护芯片免受环境因素的影响。
其他考虑因素
除了尺寸和材料优化之外,还必须考虑以下因素:
*成本:封装尺寸和材料的选择会影响成本,因此必须在尺寸、重量和成本之间取得平衡。
*可靠性:封装设计必须确保ASIC在可穿戴设备的预期使用寿命内可靠地运行。
*制造可行性:封装设计应可行且易于制造,以避免生产延迟和缺陷。
具体案例
以下是一些封装尺寸和材料优化在可穿戴设备ASIC中的具体案例:
*苹果手表:使用堆叠封装技术将多个裸片堆叠在一起,以减小总体尺寸。
*三星GalaxyWatch:采用薄型QFN封装,以实现紧凑的尺寸和重量轻。
*FitbitVersa:使用坚固的陶瓷封装,以确保耐用性和散热性能。
通过优化封装尺寸和材料,可以减小可穿戴设备ASIC的尺寸和重量,同时保持所需的性能和可靠性。第四部分天线集成与尺寸缩减关键词关键要点【天线集成与尺寸缩减】:
1.将天线整合到ASIC芯片中,节省板级空间,减小整体设备尺寸。
2.采用多层芯片封装技术,在有限的面积内提供多个天线层,提高天线性能。
3.探索先进的天线设计,例如调谐匹配网络和导电浆料,以优化天线效率和尺寸。
【嵌入式天线设计】:
天线集成与尺寸缩减
天线是可穿戴设备的关键组件,因为它负责与外部世界进行无线通信。然而,天线通常会增加设备的尺寸和重量,这对于可穿戴设备至关重要。因此,在可穿戴设备中实现天线集成和尺寸缩减至关重要。
天线集成
天线集成是指将天线直接集成到设备的主板或外壳上。这种方法消除了使用外部天线或连接器的需要,从而减少了设备的整体尺寸和复杂性。常见的天线集成技术包括:
*印刷天线:直接印刷在设备主板上的天线,通常使用导电油墨或金属层。它们体积小,可集成于设备的有限空间内。
*共面波导天线:平面或弯曲的导体结构,可作为天线的一部分。它们可以集成在设备的外壳或其他组件中。
*缝隙天线:在导电层上蚀刻的狭窄缝隙,可以谐振并发出电磁辐射。由于其薄度,它们适合用于空间受限的设备。
尺寸缩减
除了集成之外,还可以通过以下技术来缩小天线尺寸:
*使用高频段:高频段波长较短,因此所需的物理天线尺寸较小。
*优化天线几何形状:通过改变天线的形状和尺寸,可以优化其性能并在更小的体积内实现相同的辐射模式。
*使用宽带材料:宽带材料允许天线在更宽的频率范围内工作,从而可以减少对多个天线的需求。
*利用人体作为天线:可穿戴设备可以利用人体作为天线的一部分,从而减小设备本身天线的尺寸。
实施考虑因素
实现天线集成和尺寸缩减时,需要考虑以下因素:
*辐射效率:天线集成和尺寸缩减可能会影响其辐射效率,需要进行仔细优化。
*电磁干扰:集成的天线可能与设备的其他组件交互并引起电磁干扰,需要仔细布局和屏蔽。
*耐用性:可穿戴设备通常会暴露在恶劣的环境中,需要确保天线集成能够承受这些条件。
应用示例
天线集成和尺寸缩减已在各种可穿戴设备中得到应用,例如:
*智能手表:集成式天线允许手表在紧凑的尺寸内实现无线连接。
*健身追踪器:优化的天线几何形状使健身追踪器能够在各种运动下保持可靠的信号。
*医疗设备:通过利用人体作为天线的一部分,医疗设备可以减小其传感器和电子元件的尺寸。
结论
天线集成和尺寸缩减对于开发小型轻便的可穿戴设备至关重要。通过采用创新的技术,设计人员可以实现高效的无线通信,同时最小化设备的总体尺寸和重量。持续的研究和开发将进一步推动该领域的发展,并为新的可穿戴设备应用开辟可能性。第五部分集成度与元件排列优化关键词关键要点主题名称:模块化设计
1.通过将ASIC划分为更小的、可管理的模块,可以优化元件排列并减少总体尺寸和重量。
2.模块化设计允许并行开发和测试,缩短上市时间。
3.模块化方法提高了可维护性和可升级性,使设计能够适应不断变化的技术要求。
主题名称:底层互连优化
集成度与元件排列优化
集成的电路由单个芯片组成,其物理尺寸和重量取决于集成度。集成度越高,意味着在芯片上集成更多功能,则芯片尺寸和重量越小。
平面集成
平面集成将所有元件放置在同一平面上。这是一种简单的集成方法,通常用于较大尺寸的ASIC,因为元件之间的距离较远,信号传输路径较短。然而,平面集成具有以下缺点:
*高功耗:元件之间的长距离传输路径会导致高功耗。
*高噪声:信号传输路径长,噪声更容易耦合到信号中。
*低性能:长距离传输路径会导致信号延迟和抖动,从而降低系统性能。
三维集成
三维集成将元件堆叠在多个平面上。这可以显著减小芯片尺寸和重量,因为元件之间的距离更近,信号传输路径更短。三维集成还具有其他优势:
*低功耗:信号传输路径短,功耗降低。
*低噪声:信号传输路径短,噪声耦合减弱。
*高性能:信号传输路径短,信号延迟和抖动降低,性能提高。
元件排列优化
元件排列优化涉及在芯片上优化元件的布局和连接,以最小化尺寸和重量。这包括:
*功能分区:将不同的功能模块划分到不同的区域,以便于布线和优化。
*时序优化:优化不同功能模块之间的时序关系,以最小化芯片面积。
*布局优化:优化元件的形状和尺寸,以及它们之间的相对位置,以减少芯片面积。
*布线优化:优化布线路径,减少布线长度和信号延迟。
先进封装
先进封装技术,如硅通孔(TSV)和扇出型晶圆级封装(FOWLP),可以进一步减小ASIC的尺寸和重量。
硅通孔(TSV)
TSV是通过芯片穿孔的垂直互连,允许在芯片的背面和正面之间进行电气连接。这可以缩短布线路径,减小芯片尺寸。
扇出型晶圆级封装(FOWLP)
FOWLP是一种先进的封装技术,将芯片直接嵌入到封装基板中。这消除了引线框架和封装体,显著减小了封装的尺寸和重量。
应用
集成度与元件排列优化以及先进封装技术的组合,已成功用于各种可穿戴设备ASIC的尺寸和重量优化,例如:
*医疗保健ASIC:用于心率监测、血氧饱和度监测和其他健康参数监测的低功耗、小尺寸ASIC。
*健身追踪ASIC:用于步数计数、距离测量和其他健身数据收集的超轻、低功耗ASIC。
*虚拟现实(VR)ASIC:用于图像处理、运动跟踪和其他VR功能的高性能、小尺寸ASIC。
总结
通过优化集成度、元件排列和封装,可穿戴设备ASIC的尺寸和重量可以得到显著降低。平面集成、三维集成、元件排列优化和先进封装技术的组合,使可穿戴设备能够提供更轻便、更舒适、更强大的体验。第六部分散热管理与重量平衡关键词关键要点【散热管理】
1.可穿戴设备ASIC通常释放大量热量,需要有效的散热机制来防止设备过热和损坏。
2.常用的散热方法包括被动式散热(例如使用散热片和导热界面材料)和主动式散热(例如使用风扇或液冷系统)。
3.散热设计必须考虑设备尺寸、形状和功率损耗等因素,以实现最佳的散热效果。
【重量平衡】
散热管理与重量平衡
在设计可穿戴设备ASIC时,散热管理和重量平衡至关重要。这些设备通常具有紧凑的尺寸和有限的散热空间,因此在不影响性能或舒适性的情况下管理热量非常重要。
散热管理
*材料选择:使用高导热系数的材料,如铜或陶瓷,以促进热传导。
*PCB设计:优化PCB布局以最大化热耗散表面积。使用导热过孔和热垫片将热量从芯片传递到散热片。
*风扇和散热片:在可能的情况下,使用风扇或散热片主动散热。这些组件有助于迫使空气流过ASIC并将其冷却。
*相变材料:相变材料在吸收热量时会从固态转变为液态。这可以提供额外的散热能力,特别是在高热负荷的情况下。
重量平衡
*组件放置:仔细放置重型组件,以平衡设备的重量分布。
*材料选择:使用轻质材料,如塑料或复合材料,以减轻总重量。
*电池位置:将电池放置在设备底部,以降低重心并提高稳定性。
*人体工程学设计:优化设备的形状和轮廓,使其在佩戴时舒适。
尺寸和重量优化
以下是优化可穿戴设备ASIC尺寸和重量的具体策略:
*集成度:通过将多个功能集成到单个芯片中来减少组件数量。
*芯片堆叠:将多层芯片垂直堆叠,以减少PCB面积。
*微型化工艺:采用先进的制造工艺,例如鳍式场效应晶体管(FinFET),以减小晶体管尺寸。
*轻量化材料:使用轻质材料,如聚酰亚胺或碳纤维,制作柔性电路板和封装材料。
*形状优化:使用计算机辅助设计(CAD)工具对设备的外形进行建模和优化,以减小体积和重量。
案例研究
AppleWatchSeries6
AppleWatchSeries6使用以下技术优化散热和重量:
*陶瓷外壳:提供了出色的导热性,有助于散热。
*石墨烯热垫片:将热量从处理器传递到外壳。
*优化PCB设计:具有高导热过孔和热垫片,以最大化散热表面积。
GooglePixelWatch
GooglePixelWatch采用了以下方法来优化散热和重量:
*轻质材料:使用回收不锈钢和再生玻璃,以减轻总重量。
*被动散热:依靠材质和形状优化实现被动散热。
*人体工程学设计:圆形錶壳和弯曲錶带确保舒适佩戴。
结论
在设计可穿戴设备ASIC时,散热管理和重量平衡至关重要。通过采用先进的技术和策略,工程师可以优化这些设备的尺寸和重量,同时确保性能和舒适性。第七部分柔性材料应用与尺寸控制柔性材料应用与尺寸控制
柔性材料在可穿戴设备ASIC中得到广泛应用,以实现轻薄和紧凑的设计。这些材料可用于封装、互连和封装,以最小化设备整体尺寸和重量。
封装柔性材料
柔性封装材料提供轻薄的封装选择,可显着减小设备尺寸。例如:
*薄膜封装:厚度仅为几微米的薄膜材料,如聚酰亚胺和聚对苯二甲酸乙二醇酯,可用于封装ASIC芯片。
*柔性贴片封装:采用柔性基材,如聚酰亚胺或铜箔,将芯片封装在薄型外壳中。
柔性互连材料
柔性互连材料允许设备在弯曲和形变时保持电气连接。它们包括:
*柔性印制电路板(FPC):由柔性基材制成的电路板,可用于连接ASIC和其他组件。
*柔性电缆:由挠性导体和绝缘体制成的电缆,可实现组件之间的电气连接,即使在弯曲时也是如此。
*异构集成:将不同柔性材料叠层在一起,实现高密度互连和复杂功能。
柔性封装材料
柔性封装材料保护ASIC芯片免受环境因素的影响。这些材料可以是:
*柔性粘合剂:用来将ASIC芯片粘附到柔性基材上。
*柔性模塑复合材料:用于封装ASIC并提供额外的保护。
*智能复合材料:嵌入传感器或执行器的复合材料,可增强设备的功能性和尺寸控制。
尺寸控制
除了使用柔性材料之外,尺寸控制还涉及以下方面:
*激光切割:使用激光精密切割柔性材料,实现精确尺寸公差。
*光刻:使用光学技术在柔性基材上形成微图案,实现高分辨率和精确尺寸控制。
*印刷电子:使用印刷工艺在柔性材料上制造电子电路,以实现定制形状和尺寸。
数据
*一项研究表明,使用柔性封装材料可以将ASIC尺寸减少高达50%。
*FPC通常比刚性电路板薄5倍以上。
*柔性电缆可以承受数十万次弯曲循环,而不会出现电气故障。
结论
柔性材料和尺寸控制技术的应用使可穿戴设备ASIC能够实现轻薄紧凑的设计。通过利用这些技术,可以开发出高性能、舒适、且视觉上令人愉悦的可穿戴设备,以满足不断增长的消费者需求。第八部分3D堆叠与减重技术关键词关键要点3D堆叠
1.通过将多层芯片垂直堆叠起来,而不是将它们平铺在PCB上,可以显著减小ASIC的尺寸和重量。
2.3D堆叠技术允许在同一芯片封装中整合更多功能,从而减少对外部组件的需求,进一步降低重量。
3.这种方法特别适合需要高性能和低功耗的应用,例如智能手表和健身追踪器。
先进封装
1.先进封装技术,如扇出型封装和凸块晶圆级封装,可以减少ASIC的尺寸和重量。
2.这些技术允许将芯片直接封装在基板上,消除对传统封装材料的需要。
3.此外,它们提供了更高的引脚密度,支持更紧凑和更轻的设计。
轻量级材料
1.使用轻量级材料,如复合材料和陶瓷,可以进一步减轻ASIC的重量。
2.复合材料具有高强度和低密度,使其成为ASIC封装的理想选择。
3.陶瓷具有良好的耐热性和电绝缘性,使其适用于需要轻量和耐用性的应用。
热管理
1.ASICS在运行时产生大量热量,需要有效的热管理解决方案来防止过热。
2.3D堆叠和先进封装技术可以通过增加散热表面积和减少热阻,改善热管理。
3.使用复合材料和陶瓷等导热材料可以进一步提高散热效率。
功率优化
1.降低ASIC的功耗可以通过减小尺寸和重量来实现。
2.使用能效更高的组件和先进的电源管理技术可以进一步降低功耗。
3.通过优化芯片架构和算法,功耗还可以得到显着降低。
趋势和前沿
1.3D集成和先进封装技术正在不断发展,为ASIC的尺寸和重量优化提供新的可能性。
2.纳米技术和异构集成等前沿技术有望进一步减小ASIC的尺寸和提高性能。
3.对小尺寸、轻量级和低功耗可穿戴设备的需求不断增长,推动着ASIC优化解决方案的创新。3D堆叠与减重技术
3D堆叠
3D堆叠是一种将多个硅芯片垂直叠置的技术,以实现更高的集成度和更小的封装尺寸。这种方法通过消除传统平面封装中的互连线,减少了芯片面积。
在可穿戴设备中,3D堆叠可用于集成处理单元、存储器和传感器等不同功能组件。这可以显著减小设备尺寸,同时提高性能和功耗效率。
减重技术
除了3D堆叠外,还有几种减重技术可用于优化可穿戴设备ASIC的重量:
超薄基板:使用超薄基板材料,例如晶圆级芯片大小封装(WLCSP)或薄型球栅阵列(FBGA),可以减少封装重量。
晶圆级封装:晶圆级封装(WLP)将芯片直接封装到晶圆上,消除了传统封装步骤。这可以减轻重量,并改善散热。
高密度互连:使用高密度互连技术,例如硅通孔(TSV)或微凸块,可以减少封装中所需的引线数量。这可以降低重量并提高可靠性。
轻质材料:使用轻质材料,例如碳纤维或陶瓷,用于封装和外壳,可以进一步减轻重量。
数据和示例
以下是3D堆叠和减重技术在可穿戴设备ASIC中应用的具体数据和示例:
*英特尔的可穿戴设备ASIC使用3D堆叠技术,将处理单元、存储器和传感器堆叠在一起。这将封装尺寸减少了50%,同时提高了性能。
*三星的可穿戴设备ASIC使用超薄WLCSP基板,厚度仅为0.4毫米。这将封装重量减少了20%。
*高通的可穿戴设备ASIC采用晶圆级封装技术,消除了传统封装步骤。这将封装重量减少了15%。
结论
3D堆叠和减重技术是优化可穿戴设备ASIC尺寸和重量的关键方法。通过采用这些技术,可以设计出更小、更轻、更高性能的设备。随着可穿戴技术不断发展,这些技术将在降低设备重量和提高用户体验方面发挥越来越重要的作用。关键词关键要点低功耗设计
*关键要点:
*采用低功耗器件和技术,如低电容半导体和先进封装技术。
*优化时钟树和电源管理,减少不必要的功耗。
*利用电源门控、低电压操作和多供电域等低功耗策略。
*工艺选择
*关键要点:
*选择具有低漏电流和静态功耗的工艺技术。
*考虑单片集成和异构集成以优化尺寸和功耗。
*探索先进的封装技术,如芯片级封装和硅通孔,以实现更紧凑的设计和更好的散热。关键词关键要点封装尺寸与材料优化
关键要点:
1.先进封装技术:利用硅通孔(TSV)和其他先进封装技术缩小芯片面积,同时保持高性能和可靠性。
2.Fan-out封装
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