5G 手机的新品发布会上,SoC 芯片绝对是最值得被率先拿出来大书特书的“核心竞争力”。

 

我们知道,SoC(高度集成)相比传统的外挂解决方案,在功耗和性能上更能够满足市场的需求。

 

SoC 的发挥,往往依赖着 EUV 极紫外光刻这样超精度的“刻刀”,在方寸毫厘之间雕琢出高性能芯片,来为摩尔定律“续一秒”。

 

 

有没有一种超越摩尔定律的方式,可以将所有的功能芯片完好无损、相互融洽地包裹在一起?SiP 就此登场,“一步封神”,成为超越摩尔定律的重要实现路径。

 

技术自身的迭代是水到渠成,同时也会冲刷出新的河道。AI 的规模化应用带动了 GPU 厂商英伟达前所未有的业绩腾飞,那么 5G 广阔的市场前景,又会给封装产业带来哪些“地壳运动”呢?

 

More than Moore:SiP 为 5G 芯片带来了什么?

 

 

不妨从手机发布会的 PPT 文案上来反向思考一下,SiP 到底为 5G 芯片封装了哪些能力?

 

首先,与 SoC 相同的是,SiP(异构集成封装,System in Package)也是为了在芯片层面上实现小型化和微型化系统的产物。其架构中一般都会包含逻辑组件、内存组件等。

 

而与 SoC 不同的是,SiP 是从封装的角度出发,以并排或叠加的封装方式,将多种功能芯片,包括处理器、存储器等集成在一个封装内,从而实现一个基本完整的功能。

 

 

不同技术的实现方式,在用户端会呈现出怎样的体验差异呢?

 

一方面,有可能进一步降低 5G 芯片的门槛。高度集成化的 SoC,离不开 EUV 光刻机等设备和技术的支持,生产良率也难以保障,这也导致 5G SoC 芯片以及相关智能手机产品的价格居高不下。而 SiP 的开发成本与开发周期都相对更少,良率上也更有保障,这也使其开始受到半导体行业的重视。

 

此外,极致小型化的趋势,让芯片行业开始从 7nm 制程向 5nm、3nm 等发起挑战,而受限于 PCB 主板的限制,生产难度也越来越高,光靠缩小晶体管的尺寸来完成技术和成本上的迭代不可持续,这也为 SoC 芯片设下了可见的性能瓶颈。在可预见的未来,如何在减少封装体积的前提下保持性能,能够提高封装效率的 SiP 自然而然就上位了。比如有业内人士称,如果将毫米波频段和 Sub-6GHz 频段都集成在 5G 芯片上,那么 80%的芯片都会采用 SiP 封装。

 

值得一提的是,5G 的到来也打开了海量物联、万物智能的 AIoT 爆发窗口期,数以亿计的边缘终端如何输送智慧能力,全都搞上 SoC 芯片显然不太现实,而且还有许多终端传感器是需要光感、微机电 MEMS 等来发挥作用的,传统的芯片封装也无法支持。而 SiP 工艺则不受芯片种类的局限,不仅可以集成处理器系统,其他通信传感器也可以被封装在一起,提供高性价比、多元化的智连解决方案。

 

SoC 依旧霸榜,SiP 山高水远

 

 

不仅产业界感受到了 SiP 的威力,资本市场也闻弦歌而知雅意,开始看好 SiP 封装的市场空间。ASE 和西部证券研发中心预测,到 2020 年 SiP 的市场空间将达到 166.9 亿美元,营收增速提升到 50%左右。

 

但具体到现实层面,为什么 SoC 芯片才是手机厂商们的朱砂痣、白月光呢?

 

除了 SoC 本身能够满足当下手机性能的需求之外,SiP 封装技术自身的瓶颈起到了绝大部分的作用。

 

第一,SiP 在 5G 手机上的应用被看好,这就意味着需要兼容的射频器件数量大幅度提升,比如要同时将 sub-6GHz 与毫米波天线模组兼容进去,自然会导致系统连接变得更加复杂。而且各个功能芯片、被动元件、基板乃至注塑材料之间,还会产生不同程度的干扰。因此,要在如此高集成的情况下,保障信号的完整性,传统标准的封装级天线(Antenna-in-Package,AiP)就有些力不从心了,需要为 SiP 研发定制化的天线模组,是一个不小的挑战。

 

 

第二,多器件之间的高密度排队,芯片的堆叠与走线的复杂,自然会带来多元的制造问题。比如当前 Sub-6GHz 频段的 5G,就要求所有材料如基板、塑封原材料、芯片与基板的连接材料等,都必须具备低损耗特性。清稀溶液、助焊剂等材料的配套研发也需要时间去发展。

 

第三,低成本完成高要求,不吃草的 SiP 还在等待技术的性能马达。相比 SoC 成本更加低廉,原本是 SiP 的优势,同时也变成了它的“紧箍咒”。因为厂商和消费者对 5G 手机的要求是越来越高的,“更薄、更强、更便宜”,这个听起来不可能完成的命题,SiP 想要交出答卷,封装厂商必须不断探索技术创新,比如采用有机基板 PoP 封装(HBPoP),或是在基板的两面放置芯片等方式。

 

重重难题,让 SiP 技术常年来“空山不见人,但闻人语响”。不过,5G“新基建”的号角也让 SiP 有了冲锋的动力。最为直观的变化就是,封装产业的“地壳运动”已经开始悄然发生。

 

封装产业位移:5G 时代的“冰山一角”

 

 

SiP 的兴起,到底会给封装产业带来哪些变局?

 

首先我们要明确的是,封测,是半导体行业中,中国与全球差距最小的一环。过去 10 年,中国封测领域占据集成电路超过 40%的市场,2018 年全球封测营收排名前 10 的企业,A 股公司占据 3 席。

 

再加上中国在 5G 上的快速跃进,也会给中国封装厂商带来不小的机遇。

 

当然,产业不是打“感情牌”,具体到 SiP 技术落地上,一方面,传统的“短板”变成了起跑线。我们知道,中国半导体行业的短板之一就是 EDA 工具,这也一度成为在上游设计上的能力瓶颈。但具体到 SiP 上,需要在 EDA 方面不断提高质量,并在制造端充分探索新工艺,才能完成整体的应用蜕变。

 

另一方面,SiP 的异质整合,也要求厂商主动展开合作,从各个 IP 供应商那里获得适当的 Chiplet 并加以组合,这种多方面协作也让中国厂商得以摆脱单一供应链的限制,发展更多的合作伙伴来共同破局。

 

 

与此同时,中国市场的“长板”也在拉高国内封装厂商的竞争水位。

 

优势之一,来自 5G 智能手机潮的良性预期。

 

手机厂商一度是 SiP 技术最大的“买单者”。比如著名的封测大厂日月光,在 SiP 领域的领先地位,就来自于手机大厂苹果的订单;全球主要全球第二大封测厂安靠,其财报也显示,中国中高端智能手机对 WLCSP 和 SiP 的需求是公司增长的主要动力。

 

中国手机厂商在 5G 产品研发上的快速布局,5G 的基础建设与消费市场培育,与封装厂商的地缘亲近和供应链协同效应,未来将有希望发挥更大的作用,令国内封装产业“水涨船高”。

 

优势之二,则是中国数字化、智能化产业浪潮的整体托举。

 

除了智能手机,海量物联是支撑半导体行业发展的新引擎,对芯片功耗要求更低,也是支撑 SiP 的重要应用场景。以汽车电子为例,发动机控制单元(ECU)举例,就由微处理器(CPU)、存储器(ROM、RAM)、输入 / 输出接口(I/O)、模数转换器(A/D)以及整形、驱动等大规模集成电路组成,目前主要采用 SiP 的方式将芯片整合在一起。

 

 

目前,智能车载系统、自动驾驶等都在中国政策、产业资金、地方园区的扶持下快速跃迁,成为 SiP 封装的“试验田”。叠加上智能家居、智慧工厂、医疗器械、智能零售、虚拟现实等各行各业中的应用前景,中国产业规模下所埋藏的“富矿”,自然也会催生 SIP 技术在国内的快速起飞。比如中国半导体行业的首家上市公司江苏长电,就通过收购了新加坡星科金朋,积累并不断开发了一系列 SiP 封装方面的技术。

 

作为“超越摩尔”的特制化技术,SiP 技术将在 5G 这座巨大的“冰山”下,悄然推动封装产业的板块运动。时来易失,赴机在速,正是未来一段时间内的行业奥义。