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    超越摩爾定律的芯片黑科技——SiP技術,巨頭紛紛入局!

    ?行業資訊 ????|???? ?2020-08-11 11:03
     
     

     

    SiP(System in Package) SiP(系統級封裝)為一種封裝的概念,是將一個系統或子系統的全部或大部分電子功能配置在整合型基板內,而芯片以2D、3D的方式接合到整合型基板的封裝方式。

     

    SiP不僅可以組裝多個芯片,還可以作為一個專門的處理器、DRAM、快閃存儲器與被動元件結合電阻器和電容器、連接器、天線等,全部安裝在同一基板上上。這意味著,一個完整的功能單位可以建在一個多芯片封裝,因此,需要添加少量的外部元件,使其工作。

     

    華為、小米 、OPPO、VIVO、三星相繼發布 5G 手機,5G 手機的銷量超預期,毫米波 5G 手機將增加對 SiP 的需求;蘋果 AirPods 新增降噪功能,繼 Applewatch 以后,也采用 SiP 技術。

     

    一般情況下, SoC 只整合 AP 類的邏輯系統,而 SiP 則是整合 AP+mobileDDR。某種程度上說SiP =SoC+DDR。隨著將來集成度越來越高,eMMC 也很有可能會整合至 SiP 中。芯片發展從一味追求功耗下降及性能提升(摩爾定律),轉向更加務實的滿足市場的需求(超越摩爾定律)。

     

    1. 超越摩爾定律時代的新科技,SiP封裝技術

     

    手機輕薄化和高性能需求推動系統級整合。手機用戶既需要手機性能持續提升、功能不斷增加,也需要攜帶的便利性,這兩個相互制約的因素影響著過去 10 多年智能手機的更新換代過程:

     

    1)輕薄化。以 iPhone 手機為例,從最早機身厚度的約 12mm,到 iPhone XS 的 7.5mm,然而 iPhone11 的厚度增加到 8.5mm。

     

    2)功能增加、性能提升。手機逐步增加了多攝像頭、NFC 移動支付、雙卡槽、指紋識別、多電芯、人臉解鎖、ToF 等新功能,各個零部件的性能也持續提升,這些功能的拓展與性能提升導致組件數量日益增加,占用了更多的手機內部空間,同時也需要消耗更多的電能。然而,手機的鋰電池能量密度提升緩慢。因此,節省空間的模組化和系統級整合成為趨勢。

     

    ▲歷代 iPhone 機身厚度&電池容量

     

    部分手機廠商已發布成品機型,但 5G 功能的實現對手機“輕薄”外觀帶來明顯挑戰,甚至功耗也不容小覷。早在 2018 年 8 月聯想就已發布 5G 手機 MOTO Z3,但其 5G 功能依賴掛載于手機背部、且自帶 2000mAh 電池的 5G 模塊。

     

    今年 2 月底三星正式發布 5G 版 S10,時隔不久華為也于3 月正式發布折疊屏 5G 手機 Mate X,其中華為 Mate X 由于機身展開厚度僅 5.4mm,最后只能將徠卡三攝、5G 基帶以及 4 組 5G 天線放置在側邊凸起。從以上幾款手機來看,5G 功能的實現還是對手機的“輕薄”外觀提出了明顯的挑戰,甚至功耗也不容小覷。

     

    功能整合形成系統級芯片 SoC 和系統級封裝 SiP 兩大主流。兩者目標都是在同一產品中實現多種系統功能的高度整合,其中 SoC 從設計和制造工藝的角度,借助傳統摩爾定律驅動下的半導體芯片制程工藝,將一個系統所需功能組件整合到一塊芯片,而 SiP 則從封裝和組裝的角度,借助后段先進封裝和高精度 SMT 工藝,將不同集成電路工藝制造的若干裸芯片和微型無源器件集成到同一個小型基板,并形成具有系統功能的高性能微型組件。

     

    受限于摩爾定律的極限,單位面積可集成的元件數量越來越接近物理極限。而 SiP 封裝技術能實現更高的集成度,組合的系統具有更優的性能,是超越摩爾定律的必然選擇路徑。

     

    ▲SiP 模組需要封測和系統組裝的配合

     

    ▲ SoC 與 SiP 結合:更高價值的系統

     

    相比 SoC,SiP有以下兩個優點:

     

    (1) SiP 技術集成度更高,但研發周期反而更短。SiP 技術能減少芯片的重復封裝,降低布局與排線難度,縮短研發周期。采用芯片堆疊的 3D SiP 封裝,能降低 PCB 板的使用量,節省內部空間。例如:iPhone7 Plus 中采用了約 15 處不同類型的 SiP 工藝,為手機內部節省空間。SiP 工藝適用于更新周期短的通訊及消費級產品市場。

     

    (2) SiP 能解決異質( Si,GaAs)集成問題。手機射頻系統的不同零部件往往采用不同材料和工藝,如:硅,硅鍺(SiGe)和砷化鎵(GaAs)以及其它無源元件。目前的技術還不能將這些不同工藝技術制造的零部件制作在一塊硅單晶芯片上。但是采用 SiP 工藝卻可以應用表面貼裝技術 SMT 集成硅和砷化鎵裸芯片,還可以采用嵌入式無源元件,非常經濟有效地制成高性能 RF 系統。光電器件、MEMS 等特殊工藝器件的微小化也將大量應用 SiP 工藝。

     

    ▲隨著系統復雜度提升, SiP 成本及開發周期優勢顯著

     

    ▲SiP 能節省空間,為其他部件提供更多可用面積

     

    在過去數十年,電子制造行業形成了晶圓制造、封測和系統組裝三個涇渭分明的環節,代表廠商分別是臺積電、日月光和鴻海,他們的制造精度分別是納米、微米和毫米級別。隨著消費電子產品集成度的提升,部分模組、甚至系統的組裝的精度要求逼近微米級別,跟封測環節在工藝上產生了重疊,業務上產生了競爭或協同。

     

    具體來看,SiP 工藝融合了傳統封測中的 molding、singulation 制程和傳統系統組裝的 SMT 和系統測試制程。

     

    ▲ SiP 融合了傳統封測和系統組裝

     

    2. 5G時代,SiP 成為手機標配技術

     

    1、 5G 手機的爆發期來臨

     

    5G 商用日益臨近,世界范圍內主流國家的運營商都已明確時間節點。截至 2019 年 10 月 16 日,華為已經和全球領先運營商簽定 60 多個 5G 商用合同,40 多萬個 5G Massive MIMO AAU 發往世界各地。而從世界范圍來看,主流國家的電信運營商大多計劃在 2019-2020 年期間開始部署 5G網絡并逐步推出商用服務,國內也已于 2019 年 Q3 順利完成 5G 技術研發第三階段測試,并正式進入 5G 產品研發試驗階段,國內運營商也已經在 2019 年初正式啟動 5G 規模組網試點工程招標。

     

    ▲世界范圍內主流國家都計劃在 2019-2020 年間部署并推出 5G 服務

     

    根據 CCS Insight 預測,2019 年,5G 手機出貨量能達到 1000 萬臺,占手機出貨量的 0.6%,2020年將迎來爆發性增長而達到 2.3 億臺,并將在 2023 年超過 9 億臺,占手機出貨量一半。

     

    ▲5G 手機迎來高增長

     

    2、 SiP 在 5G 手機中運用日益廣泛

     

    由于歷史原因,3GHz 以下可用于公眾移動通信的低頻段已基本被前幾代通信網絡瓜分完畢,且頻段分散,無法提供 5G 所需的連續大帶寬,因而 5G 必然向更高的工作頻段延伸。目前世界范圍內對于 5G 的頻譜已基本達成共識,3~6 GHz 中頻段將成為 5G 的核心工作頻段,主要用于解決廣域無縫覆蓋問題,6GHz 以上高頻段主要用于局部補充,在信道條件較好的情況下為熱點區域用戶提供超高數據傳輸服務,例如對于 26GHz、28GHz、39GHz 毫米波應用也逐漸趨向共識,5G 的頻段分為 Sub-6 和毫米波兩個部分。

     

    ▲5G 需要 sub-6 和毫米波兩套射頻系統

     

    5G 手機需集成更多射頻器件。手機射頻模塊主要實現無線電波的接收、處理和發射,關鍵組件包括天線、射頻前端和射頻芯片等。其中射頻前端則包括天線開關、低噪聲放大器 LNA、濾波器、雙工器、功率放大器等眾多器件。從 2G 時代功能機單一通信系統,到如今智能機時代同時兼容 2G、3G、4G 等眾多無線通信系統,手機射頻前端包含的器件數量也越來越多,對性能要求也越來越高。

     

    ▲手機射頻結構復雜

     

    ▲ 通信技術升級增加手機中射頻前端器件數量

     

    5G 手機所需射頻器件數量將遠超前代產品,結構復雜度大幅提升。5G 手機需要前向兼容 2/3/4G通信制式,本身單臺設備所需射頻前端模組數量就將顯著提升。據 Qorvo 預測,5G 單部手機射頻半導體用量將達到 25 美元,相比 4G 手機近乎翻倍增長。其中接收/發射機濾波器從 30 個增加至75 個,包括功率放大器、射頻開關、頻帶等都有至少翻倍以上的數量增長。器件數量的大幅增加將顯著提升結構復雜度,并提高封裝集成水平的要求。

     

    ▲單部 5G 手機所需射頻器件數量將顯著提升

     

    5G 的頻段分為 Sub-6 和毫米波兩個部分,Sub-6 部分信號的性能與 LTE 信號較為相似,射頻器件的差異主要在于數量的增加,毫米波部分則帶來射頻結構的革命性變化。SiP 技術將在 5G 手機中應用日益廣泛,發揮日益重要的作用:

     

    1)第一步:5G 需要兼容 LTE 等通信技術,將需要更多的射頻前端 SiP 模組;

     

    2)第二步:毫米波天線與射頻前端形成 AiP 天線模組;

     

    3)第三步:基帶、數字、內存等更多零部件整合為更大的 SiP 模組。

     

    ▲SiP 在 5G 手機中的應用日益廣泛

     

    由于現在僅僅韓國、北美等少數地區支持毫米波頻段,在三星、華為、小米、Oppo、Vivo 等已發布的 5G 手機中,僅有三星 Galaxy S10 支持 5G 毫米波信號。隨著更多地區開始支持毫米波頻段,毫米波將成為 5G 手機的標配。

     

    通信技術的持續升級推動射頻相關器件的不斷整合,SiP 技術的提升為這種更高程度的整合提供了技術保障。在 2G GMS 時代,射頻前端采用分立式技術,天線也置于機身外。單面 SiP 技術在3G WCDMA 時代開始獲得應用,射頻前端中的收發器開始模組化( FEM),功放( PA)仍然獨立存在,天線開始集成到機殼上。在 4G LTE 時代,射頻器件數量成倍增長,FEM 與 PA 進一步集成,天線也開始采用 FPC 工藝。在 5G Sub-6 階段,頻段數量 20 個以上,射頻器件數量繼續增長,更先進的雙面 SiP 獲得運用。在 5G 毫米波階段,毫米波的波長極短,信號容易衰減,天線和PA 等射頻前端器件需要盡可能靠近,集成陣列天線和射頻前端的 AiP 模組將成為主流技術路線。

     

    ▲移動射頻前端模組封裝趨勢

     

    3、5G 毫米波拉動 AiP 需求

     

    5G 毫米波頻段需要更多的射頻前端器件;天線、毫米波高頻通信易損耗的特性要求射頻前端器件和天線之間的距離盡可能縮短;毫米波天線尺寸可以縮小至 2.5mm;同時需要屏蔽天線的高頻輻射對周邊電路的影響。以上的需求,需要將天線與射頻器件集成為模組,天線尺寸變小,為該模組的可行性提供了保障。

     

    ▲多因素促進 AiP 天線模組需求

     

    毫米波手機需要更多的射頻前端和天線:毫米波高頻通信將需要集成 3 個以上的功放和幾十個濾波器,相比覆蓋低頻模塊僅需集成 1-2 個功放、濾波器或雙工器在數量上有大幅提升。此外,毫米波通信需要尺寸更小、數量更多的天線。一般天線長度為無線電波長的 1/4,而一旦采用 30GHz 以上的工作頻段,意味著波長將小于 10mm,對應天線尺寸 2.5mm,不足 4G 時代的 1/10。同時,由于高頻通信傳播損耗大,覆蓋能力弱,因而將引入更多數量的天線,并通過 MIMO 技術形成天線陣列以加強覆蓋能力。根據 Qrovo 預測,單部 5G 手機的天線數量有望達到 10-12 個。

     

    ▲毫米波天線縮小至 2.5mm

     

    高通已經商用 5G 毫米波天線模組 AiP 標準品 QTM052,三星 Galaxy S10 5G 毫米波版手機即采用三個該天線模組,放置于頂部、左邊和右邊中框的內側。多個天線模組可以避免用戶不同的手握位置對信號帶來的干擾。

     

    ▲高通已商用毫米波天線模組 AiP

     

    ▲三星 Galaxy S10 采用三個高通毫米波天線模組

     

    天線的效能因手機的外觀設計、手機內部空間限制及天線旁邊的結構或基板材質不同,會有很大的差異。標準化的 AiP 天線模組很難滿足不同手機廠商的不同需求。蘋果等廠商有望根據自己手機的設計開發自有的訂制化 AiP 天線模組。我們測算,僅僅蘋果的 AiP 需求有望在 3 年后達到數十億美元。

     

    4、 SiP 有望整合更多零部件

     

    在未來,SiP 有望整合基帶等更多的零部件,進一步提升手機的集成度。高通已成功商業化Qualcomm Snapdragon System-in-Package( QSiP)模組,QSiP 將應用處理器、電源管理、射頻前端、WiFi 等連接芯片、音訊編解碼器和內存等 400 多個零部件放在一個模組中,大大減少主板的空間需求,從而為電池、攝像頭等功能提供了更大空間。同時,QSiP 工藝也大幅簡化手機的設計和制造流程、節省成本和開發時間,并加快整機廠的商業化時間。

     

    ▲QSiP 集成射頻、應用處理器等更多芯片

     

    為了保障 QSiP 的順利量產,高通與環旭在 2018 年 2 月成立合資公司,以運用環旭及日月光集團在 SiP 領域的技術積累和量產經驗。2019 年 3 月,華碩發布兩款采用 QSiP 的手機 Zen FoneMaxShot 和 Zen FoneMax Plus M2。從拆解圖來看,QSiP 確實大幅簡化手機的主板電路設計,并縮小主板面積,為三攝等新功能留下更充分的空間。

     

    ▲相比傳統電路板, QSiP 方案大幅縮小面積

     

    高通在持續拓展自身的產品線以擴大市場空間,已從早期的基帶和應用處理器拓展至射頻前端、電源管理、藍牙、WiFi、指紋識別等豐富的產品線,但不少新產品缺乏突出的競爭力。通過 SiP 技術高通可以用優勢突出的基帶等芯片捆綁一些弱勢芯片,從而實現各種不同芯片的打包銷售,擴大了自身的市場空間。

     

    ▲QSiP 給高通和整機廠帶來較大好處

     

    對于整機廠來說,采用高通的 QSiP 方案可以簡化手機的設計和制造流程,節省成本,并縮短開發時間,加快機型的商業化時間。但因為 QSiP 方案可能會降低產品的差異化程度,未來可能主要用于非旗艦機型,成為成本和搶占市場先機競爭的利器。但 QSiP 有望成為 SiP 在手機大規模中應用的推手,旗艦機型有望采用更為訂制化的類似于 QSiP 的系統級 SiP。

     

    3. 蘋果穿戴式產品積極運用 SiP 技術

     

    穿戴式產品是蘋果高度重視的 IoT 產品,庫克認為以穿戴式產品為基礎的健康業務將成為蘋果對人類的最大貢獻。Apple Watch 中已具備心率、心電圖檢測等功能,蘋果已開發 ResearchKit、HealthKit、CareKit 三大健康相關平臺,也同斯坦福大學醫學院等合作推進穿戴式產品與醫療的結合。

     

    ▲庫克高度重視健康相關業務

     

    蘋果的 Apple Watch、AirPods 兩大產品銷量持續高增長,在剛過去的 2019 財年蘋果穿戴式和配件部門營收已高達 245 億美元,同比增長 40%以上。

     

    ▲AirPods 持續高增長(百萬部)

     

    ▲ Apple Watch 持續增長

     

    Apple Watch 功能復雜,在很小的空間中集成了近 900 個零部件,自 2015 年第一代產品就一直采用 SiP 工藝。Apple Watch 的 SiP 模組集成 Apple Watch 的大部分功能器件,包括:CPU、存儲、音頻、觸控、電源管理、WiFi、NFC 等 30 余個獨立功能組件,20 多個芯片,800 多個元器件,厚度僅為 1mm 。

     

    AirPods 普通版本功能相對簡單,早期沒有采用 SiP 技術,10 月底發布的 AirPods Pro 具有主動降噪功能,需要集成更多零部件,也采用了 SiP 技術。我們測算,AirPods 有望帶來數十億美元的SiP 需求。

     

    ▲Apple Watch 采用異形 SiP 技術

     

    ▲AirPods Pro 采用 SiP 技術

     

    隨著科技的發展,全球電子產品漸漸走向多功能整合及低功耗設計,因而使得可將多顆裸晶整合在單一封裝中的SiP技術日益受到關注。而芯片發展從一味追求功耗下降及性能提升(摩爾定律),轉向更加務實的滿足市場的需求(超越摩爾定律)。讓芯片效能最大化、封裝后體積最小化,客制化量身打造的需求快速崛起,SiP整合技術已經成為半導體產業最重要的技術之一。

    文章來源:網絡


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