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智能穿戴設(shè)備市場(chǎng)和 5G 市場(chǎng)為 SiP 封裝提供動(dòng)力。
智能穿戴設(shè)備的小型化，對(duì)硬件芯片提出了體積要求，如何在更小的空間內(nèi)構(gòu)建功能更加豐富的芯片系統(tǒng)成為難題。為解決這一問(wèn)題，蘋果在打造 Apple Watch 時(shí)，其芯片使用了 SiP 封裝技術(shù)，并增加更多的功能。SiP 究竟是什么？同其他封裝技術(shù)相比又強(qiáng)在哪里？圍繞這一話題，外媒作者 Mark Lapedus 進(jìn)了深入解讀，雷鋒網(wǎng)對(duì)本文進(jìn)行了不改變?cè)獾木幾g。
在新型電子產(chǎn)品的開發(fā)中，IC 封裝持續(xù)扮演重要角色，尤其是系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP，System in Package）市場(chǎng)動(dòng)力十足，因其新增的一些優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。
使用 SiP，多個(gè)芯片和其他組件都集成到同一個(gè)封裝系統(tǒng)中，作為電子系統(tǒng)或子系統(tǒng)運(yùn)行。SiP 在有空間限制的情況下尤其有效，例如在智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備中，蘋果的許多產(chǎn)品都用到了 SiP。
追溯歷史，SiP 的思想最初誕生于 20 世紀(jì) 80 年代，發(fā)展至今已有多種形式，不過(guò)不同的公司對(duì)其的定義各不相同，SiP 既可以指芯片的結(jié)合體，也可以指將不同的芯片模塊組合到電子系統(tǒng)或子系統(tǒng)中的方法。SiP 可以將芯片、無(wú)源器件以及 MEMS 的任何組件組合并封裝到一起。
開發(fā) SiP，客戶需要組合多種技術(shù)，例如組件、互連、材料和封裝架構(gòu)，然后在晶圓廠或封測(cè)廠處完成制造。
帶有 CPU 和內(nèi)存的 SiP 多芯片模塊示例
SiP 和 Chiplet 不同，但有一些相似之處。這兩種方法都是為應(yīng)對(duì)在新節(jié)點(diǎn)上開發(fā) SoC 的技術(shù)和成本難題。不過(guò)對(duì)于 Chiplet 而言，供應(yīng)商或封裝公司可能會(huì)提供芯片或小芯片模塊，然后在先進(jìn)封裝中混合匹配，創(chuàng)建針對(duì)特定領(lǐng)域或應(yīng)用的系統(tǒng)。
迄今為止，只有英特爾、AMD 和 Marvell 等少數(shù)大公司開發(fā)了類似 Chiplet 的設(shè)計(jì)，晶圓代工廠和封測(cè)廠正在努力擠進(jìn)這一市場(chǎng)。
相比之下， 多年以來(lái)，SiP 中所用到的組件更容易獲得。Yole Development 最新數(shù)據(jù)顯示，SiP 市場(chǎng)已有一定規(guī)模，預(yù)計(jì)到 2026 年，這一市場(chǎng)規(guī)模將從 2020 年的 140 億美元增長(zhǎng)到 190 億美元。
TechSearch International 總裁 Jan Vardaman 表示：“如今幾乎所有應(yīng)用都會(huì)用到 SiP ，例如智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、計(jì)算機(jī)、電信和汽車。”
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芯片封裝成百上千，SiP 價(jià)值凸顯
并非所有的系統(tǒng)都需要用到 SiP ，不過(guò)作為一種無(wú)需將所有零器件都塞進(jìn)同一顆芯片且能快速創(chuàng)建復(fù)雜系統(tǒng)芯片的方案，適合用作在最先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)上開發(fā)不同加速器和存儲(chǔ)器，以及在成熟工藝節(jié)點(diǎn)上開發(fā)模擬芯片。
顯然，如今依然需要更快的芯片來(lái)提高系統(tǒng)的計(jì)算能力，D2S 首席執(zhí)行官 Aki Fujimura 表示：“毫無(wú)疑問(wèn)，如果設(shè)計(jì)制造出一款芯片，能夠以比現(xiàn)在快 10 倍的速度進(jìn)行計(jì)算，其商業(yè)價(jià)值和競(jìng)爭(zhēng)力將得到極大提升。”
IC 封裝可以保護(hù)各種芯片免受損害并提高 die（裸片） 的性能。迄今為止，業(yè)內(nèi)已經(jīng)開發(fā)出 1000 多種不同的封裝類型，芯片客戶可以根據(jù)芯片應(yīng)用而選擇不同的封裝類型。某些時(shí)候， SiP 價(jià)值凸顯。
SiP 最早可以追溯到 20 世紀(jì) 80 年代，當(dāng)時(shí) IBM 為其高端計(jì)算機(jī)開發(fā)了多芯片模塊（MCM），作為 SiP 原始模式的一種，MCM 將眾多的 die 集中到同一個(gè)模塊中。
自那時(shí)起，SiP 不斷發(fā)展，在最終成品或先進(jìn)封裝中集成各種組件。SiP 可以是這些封裝的定制版本，也有一些觀點(diǎn)將異構(gòu)集成歸類到廣泛的 SiP 范圍內(nèi)，異構(gòu)集成即在先進(jìn)封裝中將復(fù)雜的 die 組裝在一起。
Amkor 高級(jí) SiP 產(chǎn)品開發(fā)總裁 Curtis Zwenger 表示：“SiP 包含許多不同的技術(shù)支持，可以支持眾多細(xì)分市場(chǎng)。我們針對(duì) SiP 服務(wù)的市場(chǎng)包括無(wú)線、物聯(lián)網(wǎng)、汽車、電源管理和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。”
互連是芯片封裝技術(shù)的一種，是指將一個(gè) die 連接到另一個(gè) die，引線鍵合、倒裝芯片、晶圓級(jí)封裝（WLP）和硅通孔（TSV）都會(huì)用到互連技術(shù)。
TechSearch 數(shù)據(jù)顯示，如今大約 75% 到 80% 的封裝都基于引線鍵合，通過(guò)焊線機(jī)的細(xì)線將一個(gè)芯片縫合到另一個(gè)芯片或基板上。
不過(guò)，焊線機(jī)也用在其他許多封裝方式中，例如方形扁平無(wú)引腳封裝（QFN）。“我們已經(jīng)看到了 6mm x 6mm 的 QFN，并在其中放置了 15 個(gè)組件，我們看到了一些堆疊在那里的組件，基本上是一個(gè)小型 QFN 內(nèi)的系統(tǒng)級(jí)封裝。” QP Technologies 的高級(jí)工藝工程師 Sam Sadri 說(shuō)。
在倒裝芯片中，芯片的頂部有大量微小的銅凸點(diǎn)，翻轉(zhuǎn)器件，凸塊落在銅焊盤上，形成電氣連接，便安裝在單獨(dú)的 die 或基板上。
許多芯片封裝都會(huì)用到倒裝芯片，如雙面模制球柵陣列（DSMBGA），一些封測(cè)廠已經(jīng)開發(fā)出 DSMBGA 封裝，Amkor 是最新一家開發(fā)出這一封裝方式的公司。
在 DSMBGA 中，組件基于基板的頂部和底部，減小了封裝尺寸，并且縮短了器件的信號(hào)路徑 ，可以調(diào)整組件以啟用 SiP 。DSMBGA 存在于智能手機(jī)和其他產(chǎn)品中，在智能手機(jī)中包括用于處理發(fā)送或接受信號(hào)的數(shù)字模塊和 RF 前端模塊部分。
“雙面封裝技術(shù)提高了用于智能手機(jī)和其他移動(dòng)設(shè)備的射頻前端的集成水平。”Amkor 的 Zwenger 說(shuō)道。“通常，射頻前端集成功率放大器、開關(guān)、濾波器和低噪聲放大器（LNA），這些正是我們?cè)?DSMBGA 中看到的集成器件，當(dāng)然這也可以用其他方式集成，不過(guò)雙面集成最佳選擇。”
在智能手機(jī)中，功率放大器提高功率，LNA 放大小信號(hào)，濾波器可以過(guò)濾掉不重要的信號(hào)，而 RF 開關(guān)則將信號(hào)從一個(gè)部件轉(zhuǎn)換到另一個(gè)部件。
DSMBGA 封裝
扇出式 WLP 是 SiP 的一種，DRAM die 在邏輯芯片上的堆疊就是扇出型 WLP 的實(shí)例。
2.5D 或 3D 用于先進(jìn)封裝，在 2.5D 或 3D 中，die 堆疊起來(lái)或并排放置在中介層的頂部，中介層包含 TSV。
高性能計(jì)算封裝的不同選項(xiàng)：2.5D 與 FOCoS
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可穿戴設(shè)備市場(chǎng)為 SiP 提供市場(chǎng)動(dòng)力
可穿戴設(shè)備是 SiP 的一大推動(dòng)力。蘋果、FitBit/谷歌、華為、三星、小米等公司都在這個(gè)市場(chǎng)上展開競(jìng)爭(zhēng)。據(jù) Yole 顯示，頭戴式/耳戴式產(chǎn)品是可穿戴設(shè)備市場(chǎng)中最大的細(xì)分市場(chǎng)，其次是腕戴式產(chǎn)品、身體佩戴式產(chǎn)品和智能服裝。
消費(fèi)電子市場(chǎng)的 SiP 業(yè)務(wù)價(jià)值 119 億美元。Yole 相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，可穿戴設(shè)備的 SiP 市場(chǎng)在 2020 年的業(yè)務(wù)價(jià)值為 1.84 億美元，僅占整個(gè)消費(fèi)電子市場(chǎng) SiP 的 1.55% ，預(yù)計(jì)到 2026 年，可穿戴設(shè)備 SiP 市場(chǎng)將達(dá)到 3.98 億美元，增長(zhǎng)率達(dá) 14%。
雖然每種可穿戴設(shè)備的特點(diǎn)都各不相同，但產(chǎn)品需求相似。“可穿戴設(shè)備的首要需求是性能好、質(zhì)量輕、舒適度和附著力要好，測(cè)量功能結(jié)果準(zhǔn)確且擁有更多豐富的功能。”ASE 的營(yíng)銷副總監(jiān) Henry Lin 在 IMAPS 最近的先進(jìn)系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）技術(shù)會(huì)議的演講中說(shuō)道。
對(duì)于智能手表尤其如此。蘋果最新一代智能手表 Apple Watch Series 6，功能多樣，能夠檢測(cè)血氧飽和度，也有心電圖（ECG）功能。
Watch Series 6 中，蘋果的 S6 通過(guò) SiP 封裝技術(shù)集成了一顆蘋果 A13 應(yīng)用處理器和一些其他功能的處理器，A13 采用臺(tái)積電 7nm 工藝制程，圍繞 Arm 雙核 64 位處理器構(gòu)建而成。
“蘋果用 InFO 技術(shù)封裝應(yīng)用處理器，蘋果及其他品牌的智能手表中還有許多處理器采用 SiP，”TechSearch 的 Vardaman 說(shuō)。其中，InFO 是臺(tái)積電的集成扇出封裝技術(shù)。
也有一些智能手表采用不同的封裝方式。不過(guò)，幾乎所有的 OEM 都面臨一些相同的挑戰(zhàn)。
“我們希望手腕或耳朵上佩戴的東西不會(huì)占據(jù)任何空間，這需要在產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中專注小型化。”FitBit/谷歌硬件工程經(jīng)理 Pieris Berreitter 在 IMAPS 的 SiP 會(huì)議上的演講中說(shuō)。
為了制造出更小尺寸的產(chǎn)品，F(xiàn)itBit 采用了一種新的設(shè)計(jì)方法，使用分立芯片開發(fā)給定可穿戴設(shè)備的射頻部分，然后將其組裝到基板上。
“在 2018 年之前，我們正在為我們的無(wú)線電構(gòu)建分立芯片設(shè)計(jì)，以解決 RF 挑戰(zhàn)，” Berreitter 說(shuō)。“過(guò)了一段時(shí)間，無(wú)線電設(shè)計(jì)從一個(gè)產(chǎn)品到另一產(chǎn)品、從一代到另一代，看起來(lái)都是一樣的。”
那時(shí) FitBit 開始關(guān)注 SiP。它考察了開發(fā) SiP 的幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，如面積、成本、制造、可靠性、重用、測(cè)試和上市時(shí)間。
根據(jù) Berreitter 的說(shuō)法， SiP 也有一些優(yōu)缺點(diǎn)，因此需要作出權(quán)衡。其優(yōu)點(diǎn)包括：
- 許多個(gè)分立元件組合在一個(gè)封裝系統(tǒng)中，節(jié)省了電路板的空間；
- 允許重復(fù)使用模擬或射頻芯片；
- 節(jié)省射頻測(cè)試的時(shí)間或成本；
- 良好的可靠性。
不過(guò)，SiP 也有制造時(shí)間長(zhǎng)，有時(shí)比分立解決方案成本更昂貴的缺點(diǎn)存在。
最終，F(xiàn)itBit 從全部使用分立解決方案轉(zhuǎn)向部分產(chǎn)品使用 SiP。
在較舊的智能手表中，F(xiàn)itBit 在 10 mm x 20 mm 的板上集成了多個(gè)分立設(shè)備，例如微控制器、內(nèi)存、GPS 和各種射頻芯片（藍(lán)牙、WiFi）；在 2019 年推出的 Versa 2 智能手表中，F(xiàn)itBit 在 SiP 中集成了射頻組件（藍(lán)牙、WiFi），使其能夠在更小的 10 mm x 9 mm 板中減少射頻占用空間。MCU 和存儲(chǔ)器仍然是分立產(chǎn)品。
Berreitter 說(shuō)：“我們知道我們會(huì)再次使用最簡(jiǎn)單、風(fēng)險(xiǎn)最小的系統(tǒng)，我們將這些系統(tǒng)小型化，為產(chǎn)品增添新功能創(chuàng)造了空間。我們使用了相同的無(wú)線電架構(gòu)，但我們能夠?yàn)闊o(wú)線電使用一些更小的組件和更嚴(yán)格的間距規(guī)則。”
SiP 還有其他優(yōu)點(diǎn)。“由于 SiP 的面積更小，我們能夠從雙面板轉(zhuǎn)變?yōu)閱蚊姘濉Ｎ覀兛梢栽诋a(chǎn)品中利用這一點(diǎn)，將電路板的背面用作天線諧振腔的一側(cè)?，F(xiàn)在，我們有了更薄的產(chǎn)品和更好的天線性能，”Berreitter 說(shuō)。“借助 Versa 2，無(wú)線電 SiP 使我們能夠提供更長(zhǎng)的電池壽命、用于語(yǔ)音輔助的麥克風(fēng)和更好的顯示效果。”
SiP 對(duì)芯片之間的屏蔽功能也有一些影響。屏蔽用于阻止射頻組件之間的干擾，為此，OEM 使用稱為屏蔽罐的微型外殼，并將這些覆蓋 RF 芯片的外殼焊接到電路板上。
在分立器件的解決方案中，屏蔽功能的實(shí)現(xiàn)會(huì)占用電路板空間，但通過(guò)在 SiP 中組合芯片，OEM 可以減少屏蔽器件，不過(guò)屏蔽仍然涉及幾個(gè)挑戰(zhàn)。
長(zhǎng)電科技（JCET）全球技術(shù)營(yíng)銷高級(jí)總監(jiān) Michael Liu 表示：“就可穿戴設(shè)備而言，SiP 中嵌入了多個(gè) RF 無(wú)線通信電路。它們對(duì)任何類型的干擾都很敏感，但它們也有不同的頻段。”
與此同時(shí)，F(xiàn)itBit 并沒(méi)有將所有組件都集成到一個(gè) SiP 中，即 DRAM。隨著時(shí)間的推移，DRAM 部件可能會(huì)經(jīng)歷多次修訂，因此在設(shè)計(jì)中將最新版本用作分立部件更有意義。
在最新的 Sense 智能手表中，F(xiàn)itBit 沒(méi)有將心電圖功能集成到 SiP 中。Berreitter 解釋道，像 ECG 這樣的復(fù)雜功能需要更多時(shí)間來(lái)看發(fā)，因此使用分立器件的解決方案更好。
耳戴式設(shè)備是另一個(gè)大市場(chǎng)，蘋果的 AirPods 將蘋果的 H1 芯片和音頻內(nèi)核集成在一個(gè) SiP 中，Yole 稱，其中還包括一個(gè)加速度計(jì)和陀螺儀。
展望未來(lái)，OEM 廠商正在開發(fā)更多功能的可穿戴設(shè)備，這帶來(lái)了一些新挑戰(zhàn)。Yole 分析師 Santosh Kumar 表示：“需要更薄、更密集和能效更高的 PCB 封裝設(shè)計(jì)，以滿足各種醫(yī)療和消費(fèi)者可穿戴設(shè)備的要求。”
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5G，SiP 另一大市場(chǎng)
SiP 也存在于 4G 和 5G 智能手機(jī)中。
當(dāng)今絕大多數(shù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)都圍繞 4G LTE 標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行，該標(biāo)準(zhǔn)在 450MHz 至 3.7GHz 頻段范圍內(nèi)。與此同時(shí)，5G 正在兩個(gè)不同的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行部署——低于 6GHz 和毫米波（28GHz 及以上）。與 4G 相比，5G 承諾提供的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)速度延遲降低 10 倍、吞吐量提高 10 倍、頻譜效率提高 3 倍。
在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，運(yùn)營(yíng)商部署具有大規(guī)模 MIMO 天線系統(tǒng)的巨型蜂窩塔。結(jié)合微型天線，大規(guī)模 MIMO 使用波束成形技術(shù)向終端用戶發(fā)送和接收信號(hào)。
如今 5G 落地情況喜憂參半。“低于 6GHz 的 5G 版本正在全球范圍內(nèi)迅速落地，”聯(lián)電技術(shù)開發(fā)副總裁 Raj Verma 說(shuō)。“但是，對(duì)于毫米波而言，推出所需的時(shí)間比預(yù)期的要長(zhǎng)。毫米波落地需要增加大量在土地和建筑基礎(chǔ)設(shè)施上的投資。此外，毫米波的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)也更加復(fù)雜，開發(fā)時(shí)間也更長(zhǎng)。”
毫米波本身也具有視距限制、穿墻能力低和射程短的問(wèn)題。不過(guò)，目前為止，蘋果和三星已經(jīng)在它們的手機(jī)中部署了部分毫米波頻段。
從組件的角度來(lái)看，低于 6GHz 的 5G 智能手機(jī)類似于與 4G 手機(jī)類似，其系統(tǒng)由數(shù)字模塊和射頻前端模塊組成。主天線是獨(dú)立的，與手機(jī)同時(shí)運(yùn)行。
5G 毫米波手機(jī)則不同。根據(jù) System Plus 的說(shuō)法，在 iPhone 12 的核心由幾個(gè)組件組成——一個(gè)調(diào)制解調(diào)器、一個(gè)中頻 IC、一個(gè)射頻前端模塊、兩個(gè)天線陣列和一個(gè)封裝天線 (AiP)。
“手機(jī)背后的 5G 毫米波天線由 16 個(gè)無(wú)源天線單元組成，該單元構(gòu)建在 8 層基板上，” System Plus 表示：“在手機(jī)側(cè)面，集成了 AIP 模塊用于側(cè)面通信。”
毫米波需要 AiP，AiP 的設(shè)計(jì)邏輯是想讓射頻芯片離天線更近，以增強(qiáng)信號(hào)并最大限度地減少系統(tǒng)損耗。
AiP 模塊由多層貼片天線組成，位于天線旁邊的 SiP 包括一個(gè) RF 收發(fā)器、一個(gè)電源管理 IC 和無(wú)源器件。
總之，5G 毫米波架構(gòu)復(fù)雜且難以實(shí)現(xiàn)。“5G 需要較大的功率功放和電源管理。因此，我們需要考慮散熱問(wèn)題，需要研究如何使其更高效，”長(zhǎng)電科技 CTO Choon Lee 在 IMAPS 的 SiP 會(huì)議上說(shuō)。
還有其他問(wèn)題。“在 4G 和 5G 之間，系統(tǒng)中添加了許多新頻率，以便能夠滿足更高的速度要求。有了這些額外的頻率，就擴(kuò)大了對(duì)設(shè)備射頻前端部分的要求，”ASE 工程和營(yíng)銷高級(jí)總監(jiān) Mark Gerber 在活動(dòng)的小組討論中說(shuō)。
“還有許多附加組件。關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一是你無(wú)法繼續(xù)擴(kuò)展手機(jī)內(nèi)部空間。對(duì)于手機(jī)制造商來(lái)說(shuō)，它們的重點(diǎn)是擁有更多的電池供電空間。為了能夠做到這一點(diǎn)，需要更多的集成，無(wú)論是將額外的頻率組合到單個(gè) RF 前端封裝或模塊中，還是尋找其他簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)解決方案的方法。市場(chǎng)上有很多封裝解決方案正在不斷發(fā)展，以嘗試解決其中的一些挑戰(zhàn)。”
5G 手機(jī)采用了多種不同封裝類型和模塊的芯片。如果要為 5G 毫米波開發(fā)封裝方式，那么這家封測(cè)公司需要具有良好的天線設(shè)計(jì)和組件設(shè)計(jì)能力，還需要擁有良好的制造和測(cè)試流程。另外，材料和基材同樣是關(guān)鍵。
通常，這些芯片可用于 5G 毫米波，設(shè)計(jì)天線并將其集成到封裝中是一門藝術(shù)。
以 AiP/SiP 模塊為例，“在相同的輻射下，AiP 需要比相應(yīng)的分立 PCB 天線小兩到四倍，”長(zhǎng)電科技的 Liu 說(shuō)。“總的來(lái)說(shuō)，AiP 模塊會(huì)導(dǎo)致天線調(diào)諧問(wèn)題，因此需要更多的 RF 設(shè)計(jì)，為了實(shí)現(xiàn)毫米波 AiP，通常需要高密度層壓基板。”
基材在這里起著關(guān)鍵作用。“這些先進(jìn)系統(tǒng)的最大問(wèn)題是需要更薄的基板、低總厚度變化 (TTV)、超低缺陷、強(qiáng)附著力、應(yīng)力控制以及下游加工（如退火和金屬沉積）的絕對(duì)高溫穩(wěn)定性，” Brewer Science的 WLP 材料執(zhí)行董事 Kim Yess 說(shuō)。
用于 5G 毫米波的 AiP 基板特別復(fù)雜。“為了實(shí)現(xiàn)他們需要的性能和低寄生效應(yīng)，他們必須在基板設(shè)計(jì)中采用一些不同的堆棧，”Amkor 的 Zwenger 說(shuō)。“對(duì)于毫米波，他們必須開始考慮非常薄的電介質(zhì)和低 Dk/Df 特性。因此，他們正在尋找具有聚酰胺薄膜的晶圓級(jí)。”
更復(fù)雜的是，隨著這些封裝的價(jià)值上升，需要有一種方法來(lái)測(cè)試這些設(shè)備。TEL總經(jīng)理 Yohei Sato 表示：“隨著半導(dǎo)體制造規(guī)模的不斷擴(kuò)大，用于集成多個(gè)異構(gòu)設(shè)備的先進(jìn)封裝技術(shù)的引入正在加速，其中晶圓測(cè)試的重要性比以往任何時(shí)候都大。”
小結(jié)
SiP 是一種使能技術(shù)，你不會(huì)在任何地方看到 SiP，因?yàn)樗鼈兺ㄟ^(guò) Chiplet 展現(xiàn)出來(lái)。不過(guò) Chiplet 和 SiP 都是可行的方法，OEM 需要了解所有能夠?qū)崿F(xiàn)新設(shè)計(jì)的技術(shù)。
