SiP封装：便携式移动设备受热捧 5G毫米波技术关键一号

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从苹果第一次公开宣布在iwhach智能手表中采用SiP封装技术，SiP受关注的程度就日益提升，甚至被认为是拯救摩尔定律的“救星”之一。SiP封装在消费领域炙手可热的主要原因在于可集成各种无源元件，比如iwatch内部的S1模组，将AP、BB、Wi-Fi、Bluetooth、PMU、MEMS等功能芯片以及电阻、电容、电感、巴伦、滤波器等元器件都集成在一个封装内部，形成一个完整的系统。随后SiP在iPhone7的采用令其迅速在智能手机普及开来，在实现手机轻薄化和低成本方面，SiP起着非常关键的作用。
8 u: P& b- S& H" j. i集成化优势突出 SiP备受智能手机青睐
从架构上来讲，SiP与SoC（片上系统）相对应。不同的是SiP系统级封装是采用不同芯片进行并排或叠加的封装方式，而SoC则是高度集成的芯片产品。随着摩尔定律逐渐走向极限，SiP封装的优势开始凸显，在智能手机的应用也日渐普遍了。
奥肯思（北京）科技有限公司（以下简称“奥肯思”）SiP/PCB技术专家Suny Li说:“智能手机越做越轻薄，留给PCB电路板的尺寸也越来越小，只有提高集成度才能满足需求。SiP封装综合了现有的芯片资源和封测技术工艺成熟的优势，能有效减小电路板体积，降低手机成本，缩短产品上市时间，所以智能手机对SiP的需求也越来越普遍。”
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深圳市中兴微电子技术有限公司（以下简称“中兴微电子”）封装设计/封测量产部封装开发经理王宗伟同样表示，一直以来智能手机的发展方向就是机身更轻薄、功能更加强大，除了从整机结构做优化外，更需要从核心部件——芯片上做文章，特别是集成度更高的芯片，SiP封装必然成为一个很好的解决方案。
记者获悉，因看到SiP封装带来的PCB尺寸缩小、成本降低和组装简洁等优势，很大比例的智能手机都采用了SiP封装，加上苹果iPhone和iwhach的强势带动，SiP封装开始全线普及智能手机和可穿戴产品。
Suny Li告诉记者，目前智能手机是SiP系统级封装最大的应用市场，且不仅限于高端手机，因为SiP技术本身并不会造成成本的上升，相反，相对于传统封装，SiP技术可使PCB组装更简单，使耗费在芯片封装上的成本大大降低，进而降低整体手机BOM成本，所以不管是高端的iPhone X、iPhone8、Huawei Mate10，还是低端的小米5、华为荣耀系列手机都采用了SiP系统级封装。


+ }, s& z8 r' v" C/ f天水华天科技股份有限公司（以下简称“天水华天”）技术总监于大全认为，智能手机芯片要求小型化、高密度和低成本封装，SiP是最好的选择。在iPhone8中，SiP系统级封装占所有封装比例的40%以上，主要用于PA和射频模块。他特别指出，SiP系统级封装是在一个系统内，有两个以上芯片或其他有源、无源器件的集成，以实现单一芯片所不具备的系统功能，因此并不局限于高端手机，中低端手机同样适用。
目前一部智能手机大致有10-15颗主要芯片，但并非都是SiP封装。Suny Li表示，目前SiP应用比较普遍的是在CPU处理器和DDR存储器集成上，例如苹果A10处理器+三星LPDDR4内存，苹果A11处理器+海力士LPDDR4内存，华为麒麟950处理器+美光LPDDR4内存，小米5采用的高通骁龙820处理器+三星LPDDR4内存等，这些都是将处理器和存储器封装在一起形成的SiP系统级封装，其它诸如触控芯片、指纹识别芯片、射频前端芯片等也开始采用SiP技术。
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  ^: x# U+ s  P6 o* N% @天水华天科技股份有限公司技术总监于大全
5 [6 A7 G* `2 d2 l为何这些芯片更需要SiP封装呢？“因为相对而言，手机处理器和存储器芯片本身的尺寸较大，如果单独封装，会占据较大的PCB安装空间，而采用SiP三维堆叠技术，可以有效减小封装面积，提高基板利用率。另外，将其封装在一个SiP中，也有利于提高处理器和存储器之间高速信号的传输质量。”Suny Li解释道。
/ F0 C; ~* R) N. P& y王宗伟同样表示，智能手机中常见的SiP封装应用在诸如AP+DDR、Nandflash+Controller的集成上面。AP+DDR使用SiP是因为DDR内存的运算速度很大程度上决定了手机的响应速度，将其集成进AP可极大地缩短互联路径，从而更易达到高频，更重要的是，可节省出大面积珍贵的PCB空间。而将controller集成进NandFlash，可以让手机厂商不用顾及快速更新的NandFlash工艺演进和技术迭代而更专注于系统设计，进而缩短产品整体设计周期，更快将产品推向市场。
# A! x3 u3 p( ]: Z* r4 d7 z由上述可见，SiP系统级封装因节省PCB空间和整体BOM成本而越来越受到智能手机厂商的青睐。其中，AP+DDR内存的集成、Nandflash+Controller集成对SiP的需求最为普遍。而触控芯片、指纹识别芯片和射频前端芯片等也都将开始采用SiP封装技术，以发挥成本与尺寸平衡的最大效应。
首个5G NR标准冻结  SiP将在毫米波技术发挥威力
2017年12月21日，国际通信标准组织3GPP宣布5G NR非独立组网NSA标准冻结，这意味着5G商用步伐又前进了一步。3GPP规定5G频谱范围是600-700MHz到50GHz（毫米波部分），而SiP封装对5G毫米波技术有着特殊的意义。
奥肯思Suny Li表示，5G网络最主要的特点是传输速率的提高，其传输速率理论上可超过4G网络的10倍以上。在毫米波频段中，28GHz和60GHz频段是最有希望使用在5G通信的两个频段。不过，目前5G毫米波技术面临的最大挑战，是芯片的功耗控制和高速信号传输线效应，而SiP技术所具有的小型化、低功耗和高性能特点，能够有效缩小封装体积，帮助降低芯片功耗并减小传输线效应，所以在5G网络中会有更广泛的应用。

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天水华天于大全也表示，5G时代，智能手机中的RF器件数量大幅增加，SiP和芯片集成技术将获得更广泛应用。目前，一个射频SiP封装包含10-15个异质芯片，比如硅基、Ⅲ/Ⅴ、MEMS等。在射频前端模组中，芯片厂商正在使用复杂的多种互连技术（WB、FC、Cu pillar) 的SiP架构。
由于目前5G还未正式商用，所以SiP封装在5G毫米波技术的应用还处于试验阶段，在工艺实现上也还面临一定的技术瓶颈。于大全告诉记者，毫米波技术需要更高密度的芯片集成，以实现最小化信号路径并保持损耗的控制。目前毫米波技术封装还没有明确的解决方案，技术成熟度也不高。
" i  }! F9 D2 \" \9 n  o" K1 c于大全认为，未来毫米波封装需要寻找低损耗材料、天线集成、集成芯片封装架构的调整、屏蔽方法等。同时，5G系统级封装需要大量的仿真和验证：（1）电磁仿真。高频信号之间的相互干扰，对EMI的防护，天线的设计和信号完整性的仿真建模；（2）应力仿真。验证不同材料带来的翘曲度及芯片和封装之间的协同应力仿真；（3）热仿真。毫米波潜在的封装解决方案有晶圆级扇出、应用硅通孔的硅转接板、玻璃通孔技术的玻璃转接板集成。他强调上述封装技术都需要技术开发与应用验证，研发成本普遍较高。
Suny Li也表示，因为SiP本身所具有小型化、低功耗、高性能的特点，必然成为国际上5G移动通信研发的一个重要课题。然而，5G毫米波技术目前还处在实验阶段，其成熟度还需要市场的验证，不过SiP封装技术本身采用的大都是成熟的封测工艺，所以最大的挑战就是如何在新的5G毫米波技术应用中提出完善SiP的解决方案，这个需要封测厂商和多个芯片厂商的协作来完成。


因为SiP系统级封装本身并没有频率上的适应范围，所以在6GHz、28Ghz、60GHz频率上都可应用，不过有几个问题需要考虑。Suny Li强调说，一是将多个大功率芯片集成在一个SiP封装中的散热问题，这是SiP大规模应用的一个大的瓶颈。一般需要采用散热良好的基板或封装材料，增加散热通道，提高散热片的利用率以及寻找最佳的散热方案，而这需要通过热仿真软件来协助设计；二是随着信号频率的提高，传输线效应更加明显，设计中需要更多依赖诸如信号完整性、电源完整性、电磁仿真软件确认信号的传输质量是否满足设计要求。
# q! D3 b: Z+ |) R, X9 }“频率越高，越需要实现最小化信号路径并保持损耗的控制，也更需要高端封装技术手段。28GHz和60GHz需要目前最先进的封装技术如晶圆级扇出、应用硅通孔的硅转接板、玻璃通孔技术的玻璃转接板集成，并结合FC等技术手段来完成复杂的系统集成。”于大全补充说。
中兴微电子王宗伟表示，SiP封装技术在毫米波芯片的应用正在不断探索，SiP封装材料和结构对其高频性能影响非常大，Design house和封装厂正在合力寻找应对方案，比如创新的Air Cavity结构等，这都是一些新的尝试。
有业界人士认为，SiP技术是近期国际上5G移动通信研发的一个重要课题，难点是如何实现高辐射效率及低成本量产。于大全赞同地表示，高性能、低成本SiP技术是5G通信的重要课题。突破这个瓶颈，需要对多种技术和解决方案进行细致评估，进行仿真、设计与原型验证，以找出最合理的封装方案。
% N& I8 ^% [: W0 _Suny Li强调称，高辐射效率一般是指天线的技术指标，对于毫米波而言，信号在自由空间的衰减很大，并且毫米波的粒子特性明显，绕射能力很弱，传输途中如果有遮挡，信号将被阻拦。因此，毫米波在空气中衰减大这一特点也注定了毫米波技术不太适用于室外手机终端和距离基站很远的场合。他认为目前“毫米波技术+微型基站”可实现室内或较近距离的超高速策传输，各大厂商对5G频段使用的规划是在户外开阔地带使用较传统的6GHz以下频段以保证信号覆盖率，而在室内则使用超高速数据传输。不过距离5G移动通信实用还有两年时间，技术还会有进一步的提升，主要需要在天线材料和天线设计上进行提高。
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  w% n( I3 D+ H0 \: }% o. ?/ h之前，Qualcomm发布了用于5G NR的首款智能手机调制解调器芯片组，采用了28GHz毫米波技术，业界有传言称其使用了SiP技术。“Qualcomm 2016年发布了5G NR原型系统和试验平台，2017年10月，Qualcomm面向移动终端的5G调制解调器芯片组正式发布，实现了千兆级速率在28GHz毫米波频段上的数据连接。这就意味着5G时代的技术难关已经基本攻克，下一步就是如何在市场上逐步推进应用5G技术，并带给用户良好的体验。不过，目前并没有该5G调制解调器芯片组SiP的相关报道。”Suny Li说。
6 V! q8 V% O6 d' _先进封装“多产线”+设计仿真“多手段” 成就封测竞争优势
- O# z$ N# f# t# {) h从当前智能手机芯片的竞争格局可以看出，目前智能手机芯片厂商的参与者越来越少，只剩屈指可数的几家。作为SiP产业链重要厂商，如何抢得这些稀缺的手机客户订单？
, H6 k& p) w  ^0 P* x( V  q天水华天于大全表示，系统级封装的技术含量有高有低，需要具备WB、FC、PoP、TSV、Fan-Out、C2W、W2W等多种封装技术手段，同时具有设计仿真多种技术能力，才能支撑高端SiP技术研发和产业化。因此，提高技术水平、具备多种技术的量产能力是获得订单的唯一手段。
“目前智能手机芯片主要集中在Qualcomm、MTK、Apple、Samsung、Huawei HiSilicon等几家，这些芯片厂商基本都已经开始采用SiP技术。”奥肯思Suny Li强调，对于封测厂而言，随着5G技术的到来，SiP的需求量也会日益增多。为了赢得客户，主要需要做到以下三点：一是掌握最新的SiP封装新技术，这从部分封测厂的并购中可以获悉；二是协调多方资源，比如一款为华为智能手机设计并生产的采用SiP封装的解决方案，用到了高通的处理芯片和三星的内存，就需要协调包括华为、高通、三星多方面的资源，设计并生产出最佳的SiP产品；三是提升系统整合能力，增强SiP的设计和仿真能力，目前在封测厂商的所有产品中SiP的占比还不是很大，封测厂本身的SiP的设计和仿真也相对较弱，需要紧随技术的发展不断提升，才能争取到更多的客户。
正如Suny Li所言，封装厂必须掌握最新的SiP封装新技术才能赢得更多的客户，而这也促使行业并购整合的进程加剧。从当前的封测发展格局来看，随着长电科技并购星科金朋、日月光并购矽品等大宗并购案的发生，封测企业集团化的趋势愈发明显，这给半导体产业链带来不小的影响。
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中兴微电子王宗伟表示非常看好这一趋势，他认为封测企业集团化是大势所趋，这样更能集中资源优化产业效率，同时也实现了技术和客户共享。“作为Design house，我们是乐见其成的，因为合并后能给我们更强大的封测技术支撑，获得一站式的解决方案；另一方面，封测厂商减少了会给我们增加一些成本及供应链上的风险，但总体来看利大于弊。”王宗伟说。
于大全告诉记者，日益激烈的市场竞争促使封测企业试图进一步做大做强，而通过并购实现先进封装量产化的跨越发展，这是集团化的趋势出现的主要原因。具体而言，没有规模化就没有足够的竞争优势，也就没有足够的研发资源，高端封装研发和产业化所需的大量资金也都无法得到保证。
不过他同样认为集团化是一把双刃剑，带来竞争优势的同时也会带来巨大的整合问题，比如债务消化吸收或营运不良、文化差异等一系列问题。他告诉记者，华天科技在过去几年的高速发展大都基于自身内生发展，通过独立自主的研发和产业化，获得了每年30%以上的高速发展，已经位列世界封测代工的第六名。2015年，华天收购了美国FCI公司，积累了兼并境外公司的经验。未来在自身做大做强的同时，也会积极考虑进一步的并购和整合，实现成为国际一流封测代工企业的目标。
“长电科技收购星科金朋、安靠收购J-Device、华天并购FCI、通富微电并购AMD封测资产以及日月光并购矽品，这一系列并购都预示着，封测行业的集团化趋势已成常态。通过并购可以减少行业内竞争，补强技术短板，获得先进的封测技术和争取更广泛的客户群，并且有利于推进整个半导体行业的发展进程。”Suny Li最后补充说。
综上所述，SiP系统级封装作为当前先进的封装技术之一，在集成化、低成本等方面的优势令广大芯片和系统厂商受益，特别是对轻薄化设计要求非常高的智能手机方案的设计更是一种福音。目前，在苹果iPhone和iwatch的应用带动下，SiP封装技术已经全线普及高中低端手机市场，因集成化需求的程度不同，AP+DDR、NANDFlash +controller以及触控芯片、指纹识别芯片、射频前端芯片等都将率先采用SiP封装技术。同时，5G时代即将来临，SiP将对5G毫米波技术起着关键的作用，尽管5G正式商用之前还未得到普及，但一定会是一种趋势。从全球封测竞争格局来看，封测并购整合形成的集团化趋势日渐明显，先进封装“多产线”与设计仿真“多手段”是封测厂商捍卫竞争力的法宝，记者相信，这些并购整合，最终为半导体业技术革新带来真正的推动力。
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