SiP封装,来源:华金证券研究所

 

系统级封装(SysteminPackag,SiP)是将多种功能芯片,包括处理器、存储器、FPGA等功能芯片集成在一个封装内,从而实现一个基本完整的功能。与系统级芯片(Systemon Chip,SoC)相对应,不同的是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。SiP解决方案需要多种封装技术,如引线键合、倒装芯片、芯片堆叠、晶圆级封装等,是超越摩尔定律的重要实现路径。

 

摩尔定律的放缓、异质集成和各种大趋势(包括5G、AI、HPC、物联网等)推动着先进封装市场强势发展。在超越摩尔定律的技术路径上,系统级封装(SiP)是最有潜力的候选者之一。在低端到高端,终端应用中的各种I/O和封装尺寸中都可以找到SiP技术的身影。而且,芯片的高度集成化也推动SiP不断迭代升级,以满足高性能和低时间成本的异构集成需求。

 

很多半导体厂商都有自己的SiP 技术,命名方式各有不同。比如,英特尔叫EMIB、台积电叫SoIC。这些都是SiP 技术,差别就在于制程工艺。以台积电为例,其SiP 技术的优势在于晶圆级封装,技术成熟、良率高,这也是普通封测厂商难以做到的。

 

 SIP封装技术的四大优势

 

与其他封装类型相比,SiP技术有四大明显的优势:

 

1、能够将性能不同的有源或无源元件集成在一种IC 芯片上,并且能够集成复杂的异质元件,从而形成一个功能完整的系统或者子系统。

 

2、通过增加芯片之间的连接的直径和缩短信号传输的距离,可以提升性能并降低功耗,这反过来又可以降低驱动这些信号所需的功率。

 

3、所有模块和chiplet(小芯片)都在一个封装中,让IP 复用变得简单。

 

4、不同的芯片排列方式,与不同的内部接合技术搭配,使SIP 的封装形态产生多样化的组合,并可依照客户或产品的需求加以定制化或弹性生产。

 

SiP封装大幅减小面积,来源:YoleDeveloppement

 

SiP从封装角度可同时兼顾协调小尺寸和成本问题,不但节省空间,增加容错功能,坏率/虚焊等问题都可以解决。苹果智能手表中S1处理器将CPU、蓝牙、WIFI、NFC、存储等功能芯片通过SiP封装成一颗很小的单芯片,开启了系统封装的潮流。从智能手表、智能眼镜到蓝牙耳机等,SiP解决方案使设计变得更加简单,例如单颗4mmx8mm或4.55mmx9mm尺寸的芯片集成就超过30颗元器件,不仅大幅缩小产品尺寸,同时可使重量减少1克以上。

 

此外,针对一些在应用环境和使用场景对防水防潮防震有严苛标准的行业,如军工、汽车等,SiP封装的产品芯片采用环氧树脂封装,本身具有耐磨、防腐蚀/酸碱/紫外线/水/尘/破解等各种特点,适合各种复杂、恶劣环境。可以避免普通电子产品通常是在PCB板上采用SMT贴片,剧烈震荡会造成元器件或者焊点脱落,气候潮湿会造成焊板内的元器件腐蚀生锈。

 

虽然SiP的多芯片较SoC的单芯片从晶元成本上无优势,但综合设计难度、工艺成本和制造周期来看,SiP门槛更低,甚至可以将SoC做不到的被动组件、天线等集成进去,系统更完整。

 

 可穿戴设备将成为SIP普及最大推手

 

根据《中国半导体封装业的发展》,全球封装技术经历五个发展阶段。当前全球封装行业的主流处于以第三阶段的CSP、BGA封装为主,并向第四、第五阶段的SiP、SoC、TSV等封装迈进。

 

根据Yole 的数据,2019年全球 SiP封装的市场规模为 134亿美元,预计 2025年增加到 188亿美元,CAGR为6%。从应用领域来看,移动设备和消费电子是最大市场,2019-2025年的 CAGR 为5%;通讯/基础设施和汽车电子紧随其后,两者的CAGR 均为11%,高于整体增速。

 

消费电子市场的SiP 业务在2020 年价值119 亿美元。其中,可穿戴设备的SiP 市场在2020 年的业务价值为1.84 亿美元,仅占整个消费电子市场SiP 的 1.55%,但预计到 2026年,可穿戴设备 SiP市场将达到 3.98亿美元,增长率达14%。具体来看,5G、IoT、汽车电子、数据中心等领域由于其对小型化、低功耗、高性能等要求更为严苛,因此对于先进封装需求迫切,根据Yole 统计数据,2019~2024年,全球先进封装市场CAGR 为6.6%,显著高于传统封装1.9%的 CAGR。

 

各大公司都将可穿戴设备视为SiP 发展的最大推手。苹果、FitBit/谷歌、华为、三星、小米等公司皆在这个市场上展开竞争。据Yole显示,头戴式/耳戴式产品是可穿戴设备市场中最大的细分市场,其次是腕戴式产品、身体佩戴式产品和智能服装。

 

 国内有哪些厂商能做SIP封装?

 

越摩先进半导体首席科学家谢建友

 

越摩先进半导体首席科学家谢建友对与非网记者介绍了封装技术的发展趋势。他表示目前先进封装主要有WLCSP 和 SiP两条技术路径。一种是减小封装体积,使其接近芯片本身的大小,这一技术路径统称为晶圆级芯片封装(WLCSP),包括扇入型封装(Fan-In)、扇出型封装(Fan-Out)、倒装封装(Flip-Clip);另一种封装技术是将多个Die 封装在一起,提高整个模组的集成度,这一技术路径叫做系统级封装(SiP)。

 

晶圆级芯片封装(WLCSP),减小封装体积,使之接近裸芯大小,来源:Gartner

 

Sip封装,将多个功能芯片封装在一起,提高集成度,来源:Gartner

 

 

半导体封装技术进步路线,来源:Yole

 

SiP广泛应用于汽车电子、通讯、计算机、军工等领域,按市场空间来分,手机是目前主要的需求领域。手机短小轻薄的发展趋势,对内部电子元器件的尺寸不断提出更高的要求,因此SiP 封装技术成为主流,同时SiP 模组还可以降低整个手机的后端组装难度,进而降低了整个手机的BOM 成本,因此得到了广泛的使用,苹果、华为、小米等品牌的中高端型号均广泛使用SiP 封装。随着5G 手机集成更多的射频前端等零部件,在Sub-6GHz 方案中,更先进的双面SiP 获得运用。而在5G 毫米波方案中,集成阵列天线和射频前端的AiP 模组将成为主流技术路线。

 

除了手机,SiP给可穿戴设备带来很大的性能提升。以应用SiP 最多的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%。

 

汽车电子也将是SiP 的重要应用场景。汽车电子里的SiP 应用正在逐渐增加,高级驾驶辅助系统和资讯娱乐是主要驱动力。尽管摄像头的市场份额很小,但是ADAS 的单目、双目和三目摄像头都将采用SiP,因此其增速最快。此外,视觉处理单元和资讯娱乐对计算能力也有要求,也为SiP 的快速渗透提供了机会。

 

据介绍,越摩先进半导体首席科学家谢建友,曾以首席科学家的身份就职于两家国内TOP3的封测公司。国创越摩先进封装项目由上海兴橙资本、市国投集团、株洲经开区产投公司及项目创业团队合资建设,目前已经投产建设了5G射频滤波器晶圆级封装线(WLCSP)和射频前端模块系统级封装线(SiP)各一条,打造包含6吋、8吋晶圆级封装和系统级封装,射频滤波器芯片和射频前端模块,其他晶圆级和系统级封装等多种产品。项目投产后,可实现5G滤波器国产化封测产线零的突破。

 

主要封测企业先进封装技术布局,来源:各公司公告

 

谢建友表示,国内目前能做SIP封装的厂屈指可数,除了华天、通富微电、长电、环旭电子,就是台湾的几家厂商。他表示,现在越摩的产能一个月大概可以做到几千万颗。依托领先的晶圆级封装和系统级封装服务,越摩将吸引优质上下游企业集聚株洲,着力将株洲打造成5G射频芯片及模块先进封装供应链中心。

 

 点评:SIP封装普及将带来哪些改变?

 

封装行业目前正在集体倒向SiP。这其中有三个原因: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,愿意提供晶圆的企业也越来越多。

 

此外,笔者认为,电子产业的趋势跟笔者刚入行的时候不一样了,以往是遵循摩尔定律,SOC集成越来越多的东西。但是现在则刚好相反,越来越多的周边旗舰独立出去,比如独立的音频、视频、IPS芯片。

 

根据谢建友的介绍,目前半导体的竞争已经从先进制程工艺竞争,逐渐转向了先进封装的竞争。这也是为什么近期推出了M1芯片的苹果,通过3D堆叠封装,吊打友商竞品。此外,数字芯片在继续往更高工艺制程走的同时,模拟芯片的工艺升级难度和成本则越来越高,光是IP验证费用可能就要及千万美金。因此,目前行业的发展方向是不再追求更高的性能,而是追求更多的功能。比如TWS耳机,除了听音乐、降噪,未来还要增加测心率、心电、血压的功能。手环也是功能越来越多。现在提元宇宙,如果不用SIP封装,没办法把激光投影模块做小,把电池做大,怎么带到脑袋上?

 

谢建友认为,目前华南地区除了手机客户,大部分是做SOP封装,比如做电源类的,这个竞争太激烈了。如果做成SIP封装,体积至少减少50%,做得好的话25%都有可能,相对面积内功率密度增加一倍,可靠性还得到提升。

 

但是SIP封装普及后,会出现一个问题。因为从源头就把所有东西封装好了,对于研发能力弱的中小公司是有好处的,生产组装的难度降低了。另外,SIP封装普及以后,一个意想不到的变化是没办法抄板了,因为全都封在了一起,你就算打开也看不出用的是哪里的芯片。这对深圳的创新是一种保护,特别是对规模较小的创新团队,没法搞反向了。

 

但是ODM和模组厂的价值就减少了,所以闻泰、华勤、龙旗、歌尔、立讯这些都急了,都在大力的投SIP产线,因为他们以后要跟客户代工各种可穿戴设备。不过目前来看,他们自己来做的难度不小,系统级封装的实现需要掌握各节点的所有技术,封装企业要有足够的封装技术积累和可靠的封装平台支撑才能实现。

 

除了代工厂商、包括IDM、模组、PCB厂商都在尝试转型SIP。笔者认为,现在华南地区的制造业已经到了一个瓶颈期,以前SOP封装已经竞争太激烈,傻大笨粗搞不下去了,现在可能要全面转向SIP。