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超越摩爾定律的SiP發展趨勢

荷葉塘 ? 來源:電子發燒友 ? 作者:程文智 ? 2020-06-06 05:50 ? 次閱讀

SiP(System in Package,系統級封裝),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,或者光學器件等其他器件優先組裝到一起,實現一定功能的單個標準封裝件,形成一個系統,或者子系統。
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從架構上來說,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產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。
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圖1:SiP與SoC架構的不同。

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SoC是摩爾定律繼續往前發展的產物;而SiP則是實現超越摩爾定律的重要路徑。兩者各有優勢和劣勢,對SoC來說,它具有最高的密度、最高的速度和最低的能耗,但它需要對性能進行妥協、設計變更也不太靈活、開發成本高、開發周期也長、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、設計變更更加靈活、開發周期短、開發成本低、良率也相對更高。


圖2:SiP與SoC的有缺點對比。

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其實,集成電路的封裝技術一直在演進,其演進方向位高密度、高腳位、薄型化和小型化。集成電路封裝技術的發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級封裝時代。
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目前,全球半導體封裝的主流已經進入第四階段,SiP,PoP,Hybrid等主要封裝技術已大規模生產,部分高端封裝技術已向Chiplet產品應用發展。SiP和3D是封裝未來重要的發展趨勢,但鑒于3D封裝技術難度較大、成本較高,SiP,PoP, HyBrid等封裝仍是現階段業界應用于高密度高性能系統級封裝的主要技術。

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圖3:2019年全球封測企業市場占有率。

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中國半導體協會的數據顯示,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,大陸封測企業數量已經超過了120家,市場規模從2012年的1,034億元,增長至2019年的2,349.7億元,復合增速為12.4%,增速低于集成電路整體增速。
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根據Yole預測,到2023年,射頻前端模塊的SiP封裝市場規模將達到53億美元,復合增長率為11.3%。根據Accenture預計,到2026年全球5G芯片市場規模將達到224.1億美元。5G時代的到來,將帶動半導體產業的發展,推動SiP等先進封裝的需求,成為先進封裝領域新的增長動能。
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目前可以提供SiP封測服務的企業主要有日月光及其子公司環旭電子、安靠、矽品、長電科技及其子公司星科金朋等幾家封測公司。
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SiP的主要應用領域

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SiP的應用非常廣泛,主要包括無線通信、汽車電子、醫療電子、計算機和軍用電子等領域。其中應用最為廣泛的當屬無線通信領域。
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在無線通信領域,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展。而SiP剛好是最為理想的解決方案。

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圖4:長電科技的技術總監劉明亮。

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在博聞創意舉辦的第一期SiP線上研討會上,來自長電科技的技術總監劉明亮在其《5G高密度微系統集成封裝如何實現》的主題報告中分享了長電科技的SiP技術在5G移動終端、5G新基建中的應用,詳細介紹了長電科技在SiP封裝技術方面的技術儲備和未來發展方向。
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他在演講中表示,對于5G移動終端中的封裝技術來說,挑戰越來越大,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航時間。
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目前在5G終端中使用SiP封裝的廠商中,三星華為是比較領先的。其中,三星2019年8月推出的Galaxy Note 10+ 5G手機中使用了3顆SiP產品,但到了今年2月份發布的Galaxy S20 Ultra 5G時,SiP的用量已經翻倍了。其產品內使用的SiP主要集中在射頻前端部分。

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圖5:三星Galaxy S20 Ultra 5G使用的SiP產品。

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

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圖6:長電科技的SiP產品線發展路線圖。

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劉明亮還特意介紹了長電科技在SiP技術的演進方向,目前SiP封裝正在從單面封裝向雙面封裝轉移,預計今年下半年到明年雙面封裝SiP將會成為主流,到2022年將會出現多層3D SiP產品。
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汽車電子將會是SiP的重要應用場景。目前汽車電子中的SiP產品也越來越多,特別是在ADAS、汽車防抱死系統、燃油噴射控制系統、安全氣囊電子系統、方向盤控制系統等,此外,車載辦公系統和信息娛樂系統也開始越來越多地使用SiP產品。
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醫療電子需要可靠性和小尺寸相結合,同時還要兼顧功能性和壽命。比如膠囊式內窺鏡等可植入式電子醫療器件,需要做得非常小。而內窺鏡通常是由光學鏡頭、圖像處理芯片、射頻信號發射器、天線和電池等組成,如果將這些器件集中封裝在一個SiP內,就能夠完美解決性能和小型化的需求。
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還有智能手表、TWS耳機等可穿戴設備中也在越來越多地使用SiP產品。此外,SiP未來還將逐漸向云計算、工業自動化等應用領域滲透。

SiP的EMI挑戰

?一來說,SiP的EMI處理方式主要有三種,一是外加屏蔽罩;二是封裝內集成屏蔽罩;三是器件級EMI技術,即共形屏蔽。
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廈門韋爾通科技有限公司業務發展經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的產品體積變得更大,因此在一些對體積比較敏感的應用中,一般會使用器件級EMI技術。
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郎震京表示,共形式電磁屏蔽屏蔽技術其實已經多年沒有更新了,使用得最多的是PVD真空濺射技術。該技術的前期設備投資特別大,一般都是千萬元級別的,而且占地面積也大、維護復雜、材料利用率低、工藝流程也比較復雜。

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圖7:PVD與Spray技術的優缺點對比。

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與傳統的PVD技術相比,現在新的Spray噴涂技術可以投入更小,占地面積更小、維護更加簡單,材料利用率也更高。

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圖8:Spray噴涂的處理過程。

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而且根據韋爾通的測試,經過新技術處理的SiP產品的EMI性能并不比PVD處理后的EMI性能差。

結語

?隨著電子硬件不斷演進,過去產品的成本隨著電子硬件不斷演進,性能優勢面臨發展瓶頸,而先進的半導體封裝技術不僅可以增加功能、提升產品價值,還有效降低成本。于是CSP(芯片級封裝)、WLP(晶圓級封裝)、 SiP(系統級封裝)等一列先進技術應運而生。與其他類型相比,SiP最大的特點是能夠實現復雜異質集成需求,將各類性能迥異的有源與可選無器件整合為單個標準封裝件,形成一個系統,或者子系統。比如Apple Watch內使用的SiP在僅為邊長25~30mm的正方形體積內,集成了1000顆以上的有源和無源器件。
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而且SiP兼具低成本、低功耗、高性能、小型化和多元化的優勢。未來在摩爾定律失效后,它將扛起后摩爾時代電子產品繼續向前發展的大旗。未來SiP將會廣泛應用于5G、物聯網、智能汽車、可穿戴設備、工業自動化,以及云計算等領域。
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