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SiP封裝,來源：華金證券研究所
系統(tǒng)級(jí)封裝（SysteminPackag，SiP）是將多種功能芯片，包括處理器、存儲(chǔ)器、FPGA等功能芯片集成在一個(gè)封裝內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本完整的功能。與系統(tǒng)級(jí)芯片（Systemon Chip，SoC）相對(duì)應(yīng)，不同的是系統(tǒng)級(jí)封裝是采用不同芯片進(jìn)行并排或疊加的封裝方式，而SoC 則是高度集成的芯片產(chǎn)品。SiP解決方案需要多種封裝技術(shù)，如引線鍵合、倒裝芯片、芯片堆疊、晶圓級(jí)封裝等，是超越摩爾定律的重要實(shí)現(xiàn)路徑。
摩爾定律的放緩、異質(zhì)集成和各種大趨勢(shì)（包括5G、AI、HPC、物聯(lián)網(wǎng)等）推動(dòng)著先進(jìn)封裝市場(chǎng)強(qiáng)勢(shì)發(fā)展。在超越摩爾定律的技術(shù)路徑上，系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）是最有潛力的候選者之一。在低端到高端，終端應(yīng)用中的各種I/O和封裝尺寸中都可以找到SiP技術(shù)的身影。而且，芯片的高度集成化也推動(dòng)SiP不斷迭代升級(jí)，以滿足高性能和低時(shí)間成本的異構(gòu)集成需求。
很多半導(dǎo)體廠商都有自己的SiP 技術(shù)，命名方式各有不同。比如，英特爾叫EMIB、臺(tái)積電叫SoIC。這些都是SiP 技術(shù)，差別就在于制程工藝。以臺(tái)積電為例，其SiP 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于晶圓級(jí)封裝，技術(shù)成熟、良率高，這也是普通封測(cè)廠商難以做到的。
?SIP封裝技術(shù)的四大優(yōu)勢(shì)
與其他封裝類型相比，SiP技術(shù)有四大明顯的優(yōu)勢(shì)：
1、能夠?qū)⑿阅懿煌挠性椿驘o源元件集成在一種IC 芯片上，并且能夠集成復(fù)雜的異質(zhì)元件，從而形成一個(gè)功能完整的系統(tǒng)或者子系統(tǒng)。
2、通過增加芯片之間的連接的直徑和縮短信號(hào)傳輸的距離，可以提升性能并降低功耗，這反過來又可以降低驅(qū)動(dòng)這些信號(hào)所需的功率。
3、所有模塊和chiplet（小芯片）都在一個(gè)封裝中，讓IP 復(fù)用變得簡單。
4、不同的芯片排列方式，與不同的內(nèi)部接合技術(shù)搭配，使SIP 的封裝形態(tài)產(chǎn)生多樣化的組合，并可依照客戶或產(chǎn)品的需求加以定制化或彈性生產(chǎn)。
SiP封裝大幅減小面積，來源：YoleDeveloppement
SiP從封裝角度可同時(shí)兼顧協(xié)調(diào)小尺寸和成本問題，不但節(jié)省空間，增加容錯(cuò)功能，壞率/虛焊等問題都可以解決。蘋果智能手表中S1處理器將CPU、藍(lán)牙、WIFI、NFC、存儲(chǔ)等功能芯片通過SiP封裝成一顆很小的單芯片，開啟了系統(tǒng)封裝的潮流。從智能手表、智能眼鏡到藍(lán)牙耳機(jī)等，SiP解決方案使設(shè)計(jì)變得更加簡單，例如單顆4mmx8mm或4.55mmx9mm尺寸的芯片集成就超過30顆元器件，不僅大幅縮小產(chǎn)品尺寸，同時(shí)可使重量減少1克以上。
此外，針對(duì)一些在應(yīng)用環(huán)境和使用場(chǎng)景對(duì)防水防潮防震有嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)，如軍工、汽車等，SiP封裝的產(chǎn)品芯片采用環(huán)氧樹脂封裝，本身具有耐磨、防腐蝕/酸堿/紫外線/水/塵/破解等各種特點(diǎn)，適合各種復(fù)雜、惡劣環(huán)境?？梢员苊馄胀?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E7%94%B5%E5%AD%90%E4%BA%A7%E5%93%81/">電子產(chǎn)品通常是在PCB板上采用SMT貼片，劇烈震蕩會(huì)造成元器件或者焊點(diǎn)脫落，氣候潮濕會(huì)造成焊板內(nèi)的元器件腐蝕生銹。
雖然SiP的多芯片較SoC的單芯片從晶元成本上無優(yōu)勢(shì)，但綜合設(shè)計(jì)難度、工藝成本和制造周期來看，SiP門檻更低，甚至可以將SoC做不到的被動(dòng)組件、天線等集成進(jìn)去，系統(tǒng)更完整。
?可穿戴設(shè)備將成為SIP普及最大推手
根據(jù)《中國半導(dǎo)體封裝業(yè)的發(fā)展》，全球封裝技術(shù)經(jīng)歷五個(gè)發(fā)展階段。當(dāng)前全球封裝行業(yè)的主流處于以第三階段的CSP、BGA封裝為主，并向第四、第五階段的SiP、SoC、TSV等封裝邁進(jìn)。
根據(jù)Yole 的數(shù)據(jù)，2019年全球 SiP封裝的市場(chǎng)規(guī)模為 134億美元，預(yù)計(jì) 2025年增加到 188億美元，CAGR為6%。從應(yīng)用領(lǐng)域來看，移動(dòng)設(shè)備和消費(fèi)電子是最大市場(chǎng)，2019-2025年的 CAGR 為5%；通訊/基礎(chǔ)設(shè)施和汽車電子緊隨其后，兩者的CAGR 均為11%，高于整體增速。
消費(fèi)電子市場(chǎng)的SiP 業(yè)務(wù)在2020 年價(jià)值119 億美元。其中，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%，但預(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，增長率達(dá)14%。具體來看，5G、IoT、汽車電子、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域由于其對(duì)小型化、低功耗、高性能等要求更為嚴(yán)苛，因此對(duì)于先進(jìn)封裝需求迫切，根據(jù)Yole 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2019~2024年，全球先進(jìn)封裝市場(chǎng)CAGR 為6.6%，顯著高于傳統(tǒng)封裝1.9%的 CAGR。
各大公司都將可穿戴設(shè)備視為SiP 發(fā)展的最大推手。蘋果、FitBit/谷歌、華為、三星、小米等公司皆在這個(gè)市場(chǎng)上展開競爭。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。
?國內(nèi)有哪些廠商能做SIP封裝？
越摩先進(jìn)半導(dǎo)體首席科學(xué)家謝建友
越摩先進(jìn)半導(dǎo)體首席科學(xué)家謝建友對(duì)與非網(wǎng)記者介紹了封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。他表示目前先進(jìn)封裝主要有WLCSP 和 SiP兩條技術(shù)路徑。一種是減小封裝體積，使其接近芯片本身的大小，這一技術(shù)路徑統(tǒng)稱為晶圓級(jí)芯片封裝（WLCSP），包括扇入型封裝（Fan-In）、扇出型封裝（Fan-Out）、倒裝封裝（Flip-Clip）；另一種封裝技術(shù)是將多個(gè)Die 封裝在一起，提高整個(gè)模組的集成度，這一技術(shù)路徑叫做系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）。
晶圓級(jí)芯片封裝（WLCSP），減小封裝體積，使之接近裸芯大小，來源：Gartner
Sip封裝，將多個(gè)功能芯片封裝在一起，提高集成度，來源：Gartner
半導(dǎo)體封裝技術(shù)進(jìn)步路線，來源：Yole
SiP廣泛應(yīng)用于汽車電子、通訊、計(jì)算機(jī)、軍工等領(lǐng)域，按市場(chǎng)空間來分，手機(jī)是目前主要的需求領(lǐng)域。手機(jī)短小輕薄的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)內(nèi)部電子元器件的尺寸不斷提出更高的要求，因此SiP 封裝技術(shù)成為主流，同時(shí)SiP 模組還可以降低整個(gè)手機(jī)的后端組裝難度，進(jìn)而降低了整個(gè)手機(jī)的BOM 成本，因此得到了廣泛的使用，蘋果、華為、小米等品牌的中高端型號(hào)均廣泛使用SiP 封裝。隨著5G 手機(jī)集成更多的射頻前端等零部件，在Sub-6GHz 方案中，更先進(jìn)的雙面SiP 獲得運(yùn)用。而在5G 毫米波方案中，集成陣列天線和射頻前端的AiP 模組將成為主流技術(shù)路線。
除了手機(jī)，SiP給可穿戴設(shè)備帶來很大的性能提升。以應(yīng)用SiP 最多的TWS 耳機(jī)來說，SiP封裝工藝的 3D堆疊特性，能夠讓耳機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的各個(gè)組件基于人耳形狀布局，還可實(shí)現(xiàn)更多功能芯片和模組的有機(jī)結(jié)合，以及提升耳機(jī)舒適度、貼合度及穩(wěn)定性。據(jù)歌爾聲學(xué)的相關(guān)報(bào)告數(shù)據(jù)，SiP工藝的應(yīng)用可以將部分TWS 耳機(jī)的器件整體尺寸減小50%。
汽車電子也將是SiP 的重要應(yīng)用場(chǎng)景。汽車電子里的SiP 應(yīng)用正在逐漸增加，高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)和資訊娛樂是主要驅(qū)動(dòng)力。盡管攝像頭的市場(chǎng)份額很小，但是ADAS 的單目、雙目和三目攝像頭都將采用SiP，因此其增速最快。此外，視覺處理單元和資訊娛樂對(duì)計(jì)算能力也有要求，也為SiP 的快速滲透提供了機(jī)會(huì)。
據(jù)介紹，越摩先進(jìn)半導(dǎo)體首席科學(xué)家謝建友，曾以首席科學(xué)家的身份就職于兩家國內(nèi)TOP3的封測(cè)公司。國創(chuàng)越摩先進(jìn)封裝項(xiàng)目由上海興橙資本、市國投集團(tuán)、株洲經(jīng)開區(qū)產(chǎn)投公司及項(xiàng)目創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)合資建設(shè)，目前已經(jīng)投產(chǎn)建設(shè)了5G射頻濾波器晶圓級(jí)封裝線（WLCSP）和射頻前端模塊系統(tǒng)級(jí)封裝線（SiP）各一條，打造包含6吋、8吋晶圓級(jí)封裝和系統(tǒng)級(jí)封裝，射頻濾波器芯片和射頻前端模塊，其他晶圓級(jí)和系統(tǒng)級(jí)封裝等多種產(chǎn)品。項(xiàng)目投產(chǎn)后，可實(shí)現(xiàn)5G濾波器國產(chǎn)化封測(cè)產(chǎn)線零的突破。
主要封測(cè)企業(yè)先進(jìn)封裝技術(shù)布局，來源：各公司公告
謝建友表示，國內(nèi)目前能做SIP封裝的廠屈指可數(shù)，除了華天、通富微電、長電、環(huán)旭電子，就是中國臺(tái)灣的幾家廠商。他表示，現(xiàn)在越摩的產(chǎn)能一個(gè)月大概可以做到幾千萬顆。依托領(lǐng)先的晶圓級(jí)封裝和系統(tǒng)級(jí)封裝服務(wù)，越摩將吸引優(yōu)質(zhì)上下游企業(yè)集聚株洲，著力將株洲打造成5G射頻芯片及模塊先進(jìn)封裝供應(yīng)鏈中心。
?點(diǎn)評(píng)：SIP封裝普及將帶來哪些改變？
封裝行業(yè)目前正在集體倒向SiP。這其中有三個(gè)原因：首先是封裝小型化的需求增加，SiP需求更多；第二是能做SiP 的廠商越來越多；第三是因?yàn)槌鲐浀膲毫?，愿意提供晶圓的企業(yè)也越來越多。
此外，筆者認(rèn)為，電子產(chǎn)業(yè)的趨勢(shì)跟筆者剛?cè)胄械臅r(shí)候不一樣了，以往是遵循摩爾定律，SOC集成越來越多的東西。但是現(xiàn)在則剛好相反，越來越多的周邊旗艦獨(dú)立出去，比如獨(dú)立的音頻、視頻、IPS芯片。
根據(jù)謝建友的介紹，目前半導(dǎo)體的競爭已經(jīng)從先進(jìn)制程工藝競爭，逐漸轉(zhuǎn)向了先進(jìn)封裝的競爭。這也是為什么近期推出了M1芯片的蘋果，通過3D堆疊封裝，吊打友商競品。此外，數(shù)字芯片在繼續(xù)往更高工藝制程走的同時(shí)，模擬芯片的工藝升級(jí)難度和成本則越來越高，光是IP驗(yàn)證費(fèi)用可能就要及千萬美金。因此，目前行業(yè)的發(fā)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耳機(jī)，除了聽音樂、降噪，未來還要增加測(cè)心率、心電、血壓的功能。手環(huán)也是功能越來越多。現(xiàn)在提元宇宙，如果不用SIP封裝，沒辦法把激光投影模塊做小，把電池做大，怎么帶到腦袋上？
謝建友認(rèn)為，目前華南地區(qū)除了手機(jī)客戶，大部分是做SOP封裝，比如做電源類的，這個(gè)競爭太激烈了。如果做成SIP封裝，體積至少減少50%，做得好的話25%都有可能，相對(duì)面積內(nèi)功率密度增加一倍，可靠性還得到提升。
但是SIP封裝普及后，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問題。因?yàn)閺脑搭^就把所有東西封裝好了，對(duì)于研發(fā)能力弱的中小公司是有好處的，生產(chǎn)組裝的難度降低了。另外，SIP封裝普及以后，一個(gè)意想不到的變化是沒辦法抄板了，因?yàn)槿挤庠诹艘黄?，你就算打開也看不出用的是哪里的芯片。這對(duì)深圳的創(chuàng)新是一種保護(hù)，特別是對(duì)規(guī)模較小的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，沒法搞反向了。
但是ODM和模組廠的價(jià)值就減少了，所以聞泰、華勤、龍旗、歌爾、立訊這些都急了，都在大力的投SIP產(chǎn)線，因?yàn)樗麄円院笠蛻舸じ鞣N可穿戴設(shè)備。不過目前來看，他們自己來做的難度不小，系統(tǒng)級(jí)封裝的實(shí)現(xiàn)需要掌握各節(jié)點(diǎn)的所有技術(shù)，封裝企業(yè)要有足夠的封裝技術(shù)積累和可靠的封裝平臺(tái)支撐才能實(shí)現(xiàn)。
除了代工廠商、包括IDM、模組、PCB廠商都在嘗試轉(zhuǎn)型SIP。筆者認(rèn)為，現(xiàn)在華南地區(qū)的制造業(yè)已經(jīng)到了一個(gè)瓶頸期，以前SOP封裝已經(jīng)競爭太激烈，傻大笨粗搞不下去了，現(xiàn)在可能要全面轉(zhuǎn)向SIP。
