超越摩爾定律的SiP發(fā)展趨勢

SiP（System in Package，系統(tǒng)級封裝），就是將多個具有不同功能的有源電子元件與可選無源器件，以及MEMS，或者光學(xué)器件等其他器件優(yōu)先組裝到一起，實現(xiàn)一定功能的單個標(biāo)準(zhǔn)封裝件，形成一個系統(tǒng)，或者子系統(tǒng)。

從架構(gòu)上來說，它會將處理器、存儲器、電源管理芯片，以及無源器件等不同功能的芯片通過并排，或者疊加的方式封裝在一起。它跟SoC一樣，都可以在芯片層面上實現(xiàn)產(chǎn)品的小型化和微型化。不同的是，SiP是將多顆不同的芯片封裝在一起，SoC是一顆芯片。

圖1：SiP與SoC架構(gòu)的不同。

SoC是摩爾定律繼續(xù)往前發(fā)展的產(chǎn)物；而SiP則是實現(xiàn)超越摩爾定律的重要路徑。兩者各有優(yōu)勢和劣勢，對SoC來說，它具有最高的密度、最高的速度和最低的能耗，但它需要對性能進(jìn)行妥協(xié)、設(shè)計變更也不太靈活、開發(fā)成本高、開發(fā)周期也長、更重要的是良率會比較低；而對SiP來說，它可以選擇最好的元器件、設(shè)計變更更加靈活、開發(fā)周期短、開發(fā)成本低、良率也相對更高。

圖2：SiP與SoC的有缺點對比。

其實，集成電路的封裝技術(shù)一直在演進(jìn)，其演進(jìn)方向位高密度、高腳位、薄型化和小型化。集成電路封裝技術(shù)的發(fā)展路徑大致可以分為四個階段，第一階段是插孔元件時代；第二階段是表面貼裝時代；第三階段是面積陣列封裝時代；第四階段是高密度系統(tǒng)級封裝時代。

目前，全球半導(dǎo)體封裝的主流已經(jīng)進(jìn)入第四階段，SiP，PoP，Hybrid等主要封裝技術(shù)已大規(guī)模生產(chǎn)，部分高端封裝技術(shù)已向Chiplet產(chǎn)品應(yīng)用發(fā)展。SiP和3D是封裝未來重要的發(fā)展趨勢，但鑒于3D封裝技術(shù)難度較大、成本較高，SiP，PoP， HyBrid等封裝仍是現(xiàn)階段業(yè)界應(yīng)用于高密度高性能系統(tǒng)級封裝的主要技術(shù)。

圖3：2019年全球封測企業(yè)市場占有率。

中國半導(dǎo)體協(xié)會的數(shù)據(jù)顯示，2019年我國集成電路封測收入為2,349.7億元，同比增長7.1%。2019年，大陸封測企業(yè)數(shù)量已經(jīng)超過了120家，市場規(guī)模從2012年的1,034億元，增長至2019年的2,349.7億元，復(fù)合增速為12.4%，增速低于集成電路整體增速。

根據(jù)Yole預(yù)測，到2023年，射頻前端模塊的SiP封裝市場規(guī)模將達(dá)到53億美元，復(fù)合增長率為11.3%。根據(jù)Accenture預(yù)計，到2026年全球5G芯片市場規(guī)模將達(dá)到224.1億美元。5G時代的到來，將帶動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，推動SiP等先進(jìn)封裝的需求，成為先進(jìn)封裝領(lǐng)域新的增長動能。

目前可以提供SiP封測服務(wù)的企業(yè)主要有日月光及其子公司環(huán)旭電子、安靠、矽品、長電科技及其子公司星科金朋等幾家封測公司。

SiP的主要應(yīng)用領(lǐng)域

SiP的應(yīng)用非常廣泛，主要包括無線通信、汽車電子、醫(yī)療電子、計算機(jī)和軍用電子等領(lǐng)域。其中應(yīng)用最為廣泛的當(dāng)屬無線通信領(lǐng)域。

在無線通信領(lǐng)域，對于功率傳輸效率、噪聲、體積、重量，以及成本等方面的要求越來越高，使得無線通信向低成本、便攜式、多功能和高性能等方向發(fā)展。而SiP剛好是最為理想的解決方案。

圖4：長電科技的技術(shù)總監(jiān)劉明亮。

在博聞創(chuàng)意舉辦的第一期SiP線上研討會上，來自長電科技的技術(shù)總監(jiān)劉明亮在其《5G高密度微系統(tǒng)集成封裝如何實現(xiàn)》的主題報告中分享了長電科技的SiP技術(shù)在5G移動終端、5G新基建中的應(yīng)用，詳細(xì)介紹了長電科技在SiP封裝技術(shù)方面的技術(shù)儲備和未來發(fā)展方向。

他在演講中表示，對于5G移動終端中的封裝技術(shù)來說，挑戰(zhàn)越來越大，首先是由于傳輸速率越來越高，信號完整性的性能要求也更高了；其次是電路板的面積越來越小，芯片封裝需要更高的創(chuàng)造性；還有一個是需要滿足5G終端高頻和低延遲的同時，還要保證足夠的電池續(xù)航時間。

目前在5G終端中使用SiP封裝的廠商中，三星和華為是比較領(lǐng)先的。其中，三星2019年8月推出的Galaxy Note 10+ 5G手機(jī)中使用了3顆SiP產(chǎn)品，但到了今年2月份發(fā)布的Galaxy S20 Ultra 5G時，SiP的用量已經(jīng)翻倍了。其產(chǎn)品內(nèi)使用的SiP主要集中在射頻前端部分。

圖5：三星Galaxy S20 Ultra 5G使用的SiP產(chǎn)品。

不過在劉明亮看來，未來由于5G終端中使用的SiP產(chǎn)品越來越多，對封裝廠來說封裝產(chǎn)品的數(shù)量將會減少，未來的增量市場只能在天線和天線封裝產(chǎn)品上，因為毫米波的引入，將會需要多個獨立的天線。

圖6：長電科技的SiP產(chǎn)品線發(fā)展路線圖。

劉明亮還特意介紹了長電科技在SiP技術(shù)的演進(jìn)方向，目前SiP封裝正在從單面封裝向雙面封裝轉(zhuǎn)移，預(yù)計今年下半年到明年雙面封裝SiP將會成為主流，到2022年將會出現(xiàn)多層3D SiP產(chǎn)品。

汽車電子將會是SiP的重要應(yīng)用場景。目前汽車電子中的SiP產(chǎn)品也越來越多，特別是在ADAS、汽車防抱死系統(tǒng)、燃油噴射控制系統(tǒng)、安全氣囊電子系統(tǒng)、方向盤控制系統(tǒng)等，此外，車載辦公系統(tǒng)和信息娛樂系統(tǒng)也開始越來越多地使用SiP產(chǎn)品。

醫(yī)療電子需要可靠性和小尺寸相結(jié)合，同時還要兼顧功能性和壽命。比如膠囊式內(nèi)窺鏡等可植入式電子醫(yī)療器件，需要做得非常小。而內(nèi)窺鏡通常是由光學(xué)鏡頭、圖像處理芯片、射頻信號發(fā)射器、天線和電池等組成，如果將這些器件集中封裝在一個SiP內(nèi)，就能夠完美解決性能和小型化的需求。

還有智能手表、TWS耳機(jī)等可穿戴設(shè)備中也在越來越多地使用SiP產(chǎn)品。此外，SiP未來還將逐漸向云計算、工業(yè)自動化等應(yīng)用領(lǐng)域滲透。

SiP的EMI挑戰(zhàn)

一來說，SiP的EMI處理方式主要有三種，一是外加屏蔽罩；二是封裝內(nèi)集成屏蔽罩；三是器件級EMI技術(shù)，即共形屏蔽。

廈門韋爾通科技有限公司業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理郎震京先生在分享中表示，由于前兩種屏蔽方式需要加屏蔽罩，會使SiP的產(chǎn)品體積變得更大，因此在一些對體積比較敏感的應(yīng)用中，一般會使用器件級EMI技術(shù)。

郎震京表示，共形式電磁屏蔽屏蔽技術(shù)其實已經(jīng)多年沒有更新了，使用得最多的是PVD真空濺射技術(shù)。該技術(shù)的前期設(shè)備投資特別大，一般都是千萬元級別的，而且占地面積也大、維護(hù)復(fù)雜、材料利用率低、工藝流程也比較復(fù)雜。

圖7：PVD與Spray技術(shù)的優(yōu)缺點對比。

與傳統(tǒng)的PVD技術(shù)相比，現(xiàn)在新的Spray噴涂技術(shù)可以投入更小，占地面積更小、維護(hù)更加簡單，材料利用率也更高。

圖8：Spray噴涂的處理過程。

而且根據(jù)韋爾通的測試，經(jīng)過新技術(shù)處理的SiP產(chǎn)品的EMI性能并不比PVD處理后的EMI性能差。

結(jié)語

隨著電子硬件不斷演進(jìn)，過去產(chǎn)品的成本隨著電子硬件不斷演進(jìn)，性能優(yōu)勢面臨發(fā)展瓶頸，而先進(jìn)的半導(dǎo)體封裝技術(shù)不僅可以增加功能、提升產(chǎn)品價值，還有效降低成本。于是CSP（芯片級封裝）、WLP（晶圓級封裝）、 SiP（系統(tǒng)級封裝）等一列先進(jìn)技術(shù)應(yīng)運而生。與其他類型相比，SiP最大的特點是能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜異質(zhì)集成需求，將各類性能迥異的有源與可選無器件整合為單個標(biāo)準(zhǔn)封裝件，形成一個系統(tǒng)，或者子系統(tǒng)。比如Apple Watch內(nèi)使用的SiP在僅為邊長25~30mm的正方形體積內(nèi)，集成了1000顆以上的有源和無源器件。

而且SiP兼具低成本、低功耗、高性能、小型化和多元化的優(yōu)勢。未來在摩爾定律失效后，它將扛起后摩爾時代電子產(chǎn)品繼續(xù)向前發(fā)展的大旗。未來SiP將會廣泛應(yīng)用于5G、物聯(lián)網(wǎng)、智能汽車、可穿戴設(shè)備、工業(yè)自動化，以及云計算等領(lǐng)域。