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【芯视野】后摩尔时代技术突破的新希望 无SiP就莫谈封装

来源:爱集微

#芯视野#

6天前

全球的智能手表市场仍看不到增长的边界。这个消费电子新贵市场由苹果公司所统治着,平均每3台智能手表中就有一台是Apple Watch。

Apple Watch不但引领了时尚的风潮,还带动一项半导体制造工艺的进步。这就是将多个芯片封装在一起的SiP(System-in-Package,系统级封装)技术,其不但缩小了产品空间,还解决了困扰业界的异质芯片融合问题。

在摩尔定律逐渐式微的今天,SiP已经被看做是半导体技术突破的新希望。

市场的厚爱

从第一代Apple Watch开始,苹果就在S芯片中使用了SiP封装,并沿用至今。以2019 年 9 月发布的第五代 Apple Watch S5为例,其普通版通过SiP方案将应用处理器(AP)、电源管理单元(PMU)、音频芯片、调制解调器芯片以及充电芯片等芯片封装在约700mm2大小 PCB 上,并在SiP模块背面集合了惯性测量单元(IMU)和GPS前端模组;蜂窝板S5则在此基础上增加了额外的射频前端模组(RFFE) 和调制解调器芯片(Modem)。

其实,在更早一年发布的iPhone 6中,苹果已经提前试水,为手机Wi-Fi模组使用了SiP封装。

SiP技术发源已久,在苹果介入之前并无很大的起色,市场接受程度不高。苹果的入局成为转折点,而三星等消费电子大厂纷纷跟进,终让风向发生变化。

与芯片上使用的SoC技术相比,SiP系统集成度高,但研发周期反而短。因为SiP技术能减少芯片的重复封装,降低布局与排线难度。所以,SiP技术非常适用于更新周期短的通讯及消费级产品市场。

异质集成一直是芯片界的大难题,但是SiP就能手到擒来。手机射频系统的不同零部件往往采用不同材料和工艺,包括硅,硅锗和砷化镓以及其他无源元件。目前的技术还不能将这些不同工艺技术制造的零部件集成在一块硅芯片上。但是SiP工艺却可以应用表面贴装技术SMT集成硅和砷化镓芯片,还可以采用嵌入式无源元件,非常经济有效地制成高性能RF系统。光电器件、MEMS等特殊工艺器件的微小化也将大量应用SiP工艺

5G时代的智能手机更是能充分发挥SiP技术的特长。5G手机需要前向兼容2/3/4G通信制式,本身单台设备所需射频前端模组数量就将显著提升。单部手机射频半导体用量相比4G手机近乎翻倍增长。其中,接收/发射机滤波器从30个增加至75个,包括功率放大器、射频开关、频带等都有至少翻倍以上的数量增长。器件数量的大幅增加将显著提升结构复杂度,并提高封装集成水平的要求。

运用了SiP技术,这些就可以迎刃而解。不但可以带来更多的射频前端SiP模组,还可以将毫米波天线与射频前端形成AiP天线模组,甚至可以将基带、数字、内存等更多零部件整合为更大的SiP模组。

高通已成功商业化Qualcomm System-in-Package(QSiP)模组就是一个典范。QSiP将应用处理器、电源管理、射频前端、WiFi等连接芯片、音讯编解码器和内存等400多个零部件放在一个模组中,为电池、摄像头等功能提供了更大空间。

苹果近年来还将SiP运用到Airpods Pro中,在满足了性能要求的同时也释放了宝贵的空间,使得SiP又进入到TWS耳机这个新热点中。

对TWS耳机来说,SiP封装工艺的3D堆叠特性,能够让耳机内部结构的各个组件基于人耳形状布局,还可实现更多功能芯片和模组的有机结合,以及提升耳机舒适度、贴合度及稳定性。据歌尔声学的相关报告数据,SiP工艺的应用可以将部分TWS耳机的器件整体尺寸减小50%。

此外,SiP工艺还能有效地保护IP。业内人士就表示,在传统的PCBA上,很容易看到里面的芯片、器件型号,但TWS耳机的核心组件采用SiP封装后,即使被破坏也很难看到所有细节。

不过,SiP封装工艺也存在诸多难点,不仅涉及更复杂的布线、走线设计,还要克服信号干扰、散热、续航力等问题,整体系统的设计难度大于传统的TWS耳机封装。所以,业内仅有苹果AirPods Pro和三星Galaxy Buds Pro等少数产品采用。

未来5年, Wi-Fi路由器和物联网也将在SiP市场快速增长,主要驱动因素是5G和传感器。在电信和基础设施领域,基站和服务器的复合年增长率都有望达到两位数,其中基站的年复合增长率高达41%。这主要是因为5G基站需要通过倒装芯片球栅阵列实现更多SiP集成。同时,服务器中的CPU、 xPU(小芯片、硅转接板、扇出型)和FPGA也需要高端SiP。

苹果近期发布的M1芯片正是因为采用SiP而战斗力爆表,因此可以看出SiP还有非常巨大的潜力。

风向一边倒

据统计,2019年SiP市场实现了134亿美元的营收,复合年增长率达6%,2025年市场规模将实现188亿美元。移动和消费类电子是SiP的最大市场(复合年增长率5%),紧随其后的是电信和基础设施(复合年增长率11%)和汽车市场(复合年增长率11%)。

从市场格局来看,全球SiP市场中主要的厂商为日月光(环旭电子)、安靠、长电科技等,前五大厂商2019 年合计营收200亿美元,行业集中度较高。其中日月光以绝对领先优势居行业第一。在国内市场方面,日月光及环旭电子更是占据绝对优势,领跑了SiP封装行业。

环旭电子早在2012 年已经开始了无线通讯模组的技术投资,并在 2014 年开始进行 SiP 相关的技术投资,2014 年就对微小化系统模块以及高传输高密度微型化无线通信模块项目投资了12.23 亿元人民币。在2012-2019年的8年间,环旭电子对SiP及无线通讯相关项目共计投资22.65亿元,逐步优化SiP技术、积累生产经验,产业链已经达到成熟阶段,产品良率在 99%以上。

大陆地区的封装龙头长电科技也在紧紧追赶。通过收购星科金朋,长电获得了SiP技术,并可以与日月光相抗衡。星科金朋韩国厂已正式量产,主营业务为高端封装测试产品及高阶SiP产品封装测试,专为重要战略客户供货。据长电介绍,其目前重点发展几种类型的先进封装技术。首先就是系统级封装(SiP),随着5G的部署加快,这类封装技术的应用范围将越来越广泛。其次是应用于Chiplet SiP的 2.5D/3D封装,以及晶圆级封装,并且利用晶圆级技术在射频特性上的优势推进扇出型(Fan-Out)封装。

除了巨头积极参与之外,现在做SiP也成了业界风潮,与两年前的形势简直判若云泥。行业资深投资专家刘平(化名)告诉集微网:“最近两年新建的封装厂很多,每个封装厂都要打上SiP的旗号。根本上说是供需的天平滑向另一端。”

以前要做一款SiP,最担心没有裸芯片,二担心批量小没有厂家接,但是现在情况完全不一样了。

“Chiplet概念的提出代表着IC厂商逐渐以开放的态度提供裸芯片给客户,大批新兴的封测厂商也乐意接收小批量多种类的SiP封测业务。”一位业内人士在文章中这样表示。

而据刘平分析,风向改变还有三个重要原因:首先是封装小型化的需求增加,SiP需求更多;第二是能做SiP的厂商越来越多;第三是因为出货的压力,愿意提供Wafer的企业也越来越多。

“这个趋势会越来越明显。现在的芯片厂为了招揽客户,甚至会主动提供Wafer。”刘平补充道。

在封装业全体倒向SiP的同时,SiP也在改变电子组装业的格局,像歌尔声学、立讯精密等大厂因为进入苹果供应链而很早切入这个领域,并逐渐发展出自己的技术路线。

对于电子组装厂来说,掌握了SiP技术将极大增强未来竞争的优势。正如一位行业观察者所指出,在SMT车间中将SiP系统封装嵌入到终端产品中,如果这种形式成为主流,整个产业结构将做重大调整。(校对/Andrew)

责编: 慕容素娟

李延

作者

微信:Glxy523

邮箱:lixy@lunion.com.cn

作者简介

集微网记者,关注半导体投资、晶圆制造、IC设计、AI等领域

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